Е. Т. Бартош

Газовая турбина на железнодорожном транспорте

Издательство «Транспорт»

Москва 1972

◄ К оглавлению сайта ◄

УДК 625.282‑843.8:621.438+621.438:656.2

Газовая турбина на железнодорожном транспорте. Бартош Е. Т. Изд-во «Транспорт», 1972, стр. 1—144.

В книге в научно-популярной форме описано устройство и работа газовой турбины и компрессоров, изложены сущность рабочего процесса, схемы и конструктивные особенности газотурбинных двигателей, дано описание различных областей применения газовой турбины на железнодорожном транспорте, показаны основные направления развития и перспективы внедрения турбопоездов и газотурбовозов на железных дорогах СССР.

Книга рассчитана на широкие круги железнодорожников, знакомых с основами физики. Рис. 71, табл. 5, библ. 9.

Евгений Тарасович Бартош Газовая турбина на железнодорожном транспорте

Редактор Э. В. Булгакова Обложка художника Л. А. Завьялова Технический редактор Л. А. Кульбачинская Корректор А. И. Куликова Сдано в набор 7/X 1971 г. Подписано к печати 13/III 1972 г. Формат бумаги 84×1081/32. Печатных листов 4,5 (условных 7,56). Учетно-изд. листов 7,22. Тираж 5000 экз. Т02865. Изд. № 1‑5‑0 I № 4896. Зак. тип. 7630. Бумага типографская № 1. Цена 24 коп. Изд-во «ТРАНСПОРТ» Москва, Басманный туп., 6а Изд-во «Волжская коммуна», г. Куйбышев, пр. Карла Маркса, 201.

Оглавление

• Введение [3]
• Глава I. Газовая турбина
1. Принцип работы газовой турбины [4]
2. Многоступенчатые турбины [14]
3. Тяговые свойства турбины [18]
4. Осевые и центробежные компрессоры [22]
• Глава II. Газотурбинные двигатели
1. Простейший одновальный газотурбинный двигатель [27]
2. Экономичность ГТД [32]
3. Многовальные двигатели [35]
4. Теплотехнические мероприятия [38]
5. Охлаждение лопаток турбины [45]
6. Регулирование пропускной способности турбомашин [47]
7. Турбореактивные двигатели [49]
• Глава III. Газовая турбина в комбинированных транспортных установках
1. Газотурбинный наддув в тепловозных дизелях [51]
2. Теплогазотурбовоз [54]
3. Газовая турбина со свободнопоршневым генератором газа [56]
4. Газовая турбина как бустерный двигатель [60]
• Глава IV. Газотурбовозы
1. Силовые установки газотурбовозов [62]
2. Зарубежные газотурбовозы [75]
3. Газотурбовозы Коломенского тепловозостроительного завода им. В. В. Куйбышева [82]
4. Опыт эксплуатации газотурбовозов [88]
5. Перспективы развития газотурбинной тяги на железных дорогах СССР [95]
• Глава V. Турбопоезда
1. Особенности высокоскоростного пассажирского движения [103]
2. Принципиальные схемы силовых установок турбопоездов [107]
3. Турбопоезд ЦНИИ МПС [110]
4. Зарубежные турбопоезда [112]
5. Турбомотрисы [121]
6. Перспективы применения турбопоездов на железных дорогах СССР [123]
• Глава VI. Использование ГТД для технологических нужд железнодорожного транспорта
1. Газодинамическая очистка подвижного состава от остатков сыпучих грузов [126]
2. Применение турбореактивных установок для снегоуборки [128]
3. Маневрово-хозяйственные локомотивы [130]
• Глава VII. Газовая турбина на железнодорожном транспорте будущего
1. Турбореактивная и турбовинтовая тяга [132]
2. Турбопоезда на воздушной подушке [135]
3. Газовая турбина с линейным электродвигателем [137]
4. Газовая турбина с магнитогидродинамическим генератором [139]
5. Газовая турбина с атомным реактором [142]
• Литература [143]

Введение

Еще не так давно об использовании газовой турбины на железнодорожном транспорте говорили, как о далеком будущем. Но уже в наши дни она завоевала прочное место на всех современных тепловозах, правда, пока что в качестве вспомогательного наддувочного агрегата.

В ряде стран, в том числе и в СССР, имеется некоторый опыт эксплуатации газотурбовозов — автономных локомотивов, у которых газовая турбина уже является основным силовым двигателем. Многие страны проявляют большой интерес к созданию турбопоездов для высокоскоростного пассажирского движения, рассматривая их как перспективный вид пассажирского транспорта. Известны попытки создания теплогазотурбовозов, локомотивов с комбинированными газотурбинными установками, а также использования газовых турбин для технологических нужд железнодорожного транспорта.

Внедрение газовой турбины на железных дорогах не за горами. В послевоенные годы она сделала гигантский скачок в своем развитии. Вслед за авиацией, где газовая турбина не имеет себе конкурентов, вопрос о применении газотурбинных двигателей положительно решен на морских судах, на газоперекачивающих станциях, на мощных автомобилях. Если к. п. д. первых образцов газотурбинных двигателей 40—50‑х годов не превышал 14—15%, то сейчас он достигает 35—38%, т. е. вплотную приблизился к экономичности лучших дизелей. Причем газовая турбина с ее весьма благоприятными характеристиками термодинамического цикла имеет все возможности для дальнейшего повышения к. п. д. (за пределы к. п. д. поршневых двигателей внутреннего сгорания). Замечательно, что газотурбинные двигатели допускают большое разнообразие схем силовых установок. Все это расширяет области возможного применения газовых турбин в стационарной и транспортной энергетике.

Газовая турбина хорошо вписывается в транспорт будущего. Практически все известные сейчас пути развития тяги на железнодорожном транспорте в той или иной степени связаны с использованием газотурбинных двигателей. Газотурбинная техника чрезвычайно интересна, многогранна, увлекает своими перспективами.

Глава I

Газовая турбина

Принцип работы газовой турбины

Термин турбина происходит от латинских слов turbineus — вихреобразный, или turbo — волчок. Турбина и есть двигатель, у которого рабочие элементы вращаются с высокой скоростью под действием струи газа. Кинетическая энергия газовой струи является результатом преобразования потенциальной энергии рабочего тела — энергии сгоревшего топлива. Однако процесс, происходящий собственно в газовой турбине, не включает в себя все стадии преобразования энергии, присущие тепловому двигателю — от сгорания топлива до получения механической работы. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

В основе современных представлений о превращении тепла в работу лежат два важнейших положения: невозможность создания вечного двигателя (Perpetuum mobile) 1‑го рода, в котором механическая работа получалась бы без затраты какой-либо энергии, и невозможность создания вечного двигателя 2‑го рода, где получаемое тепло полностью превращалось бы в работу. Если первое положение достаточно очевидно и представляет собой закон сохранения энергии («энергия не возникает из ничего и не может обратиться в ничто»), то второе требует некоторых пояснений.

Представим себе, что достаточно было бы только «брать» тепло от какого-либо источника и все это тепло превращать в работу, не отдавая «остатков» тепла никакому другому телу или тепловому источнику. Нетрудно видеть, что в этом случае сразу же, раз и навсегда, были бы решены все проблемы энергетики. Например, практически неисчерпаемым источником тепла явился бы Мировой океан, или земная атмосфера, ибо они содержат колоссальные запасы энергии. Ясно, что это невозможно. Для того чтобы создать тепловой двигатель, нужно иметь по меньшей мере два тепловых источника: источник высокой температуры (нагреватель), от которого можно получить тепло, превращаемое в работу, и источник низкой температуры (холодильник), которому можно передать часть неиспользованного в двигателе тепла. Образно говоря, в работу можно превратить только часть теплового потока, движущегося под действием разности температур тел.

Вторым непременным условием работы теплового двигателя является наличие материального носителя энергии — так называемого рабочего тела. Обычно это воздух, пар или газ. Именно рабочее тело воспринимает от нагревателя тепло, расширяясь, совершает работу и уносит к холодильнику неиспользованную энергию. Но, поскольку работа совершается при расширении рабочего тела, то необходимо, чтобы давление рабочего тела в начале процесса было больше, чем в конце. Это значит, что в момент подвода тепла в нагревателе рабочее тело должно иметь большее давление, нежели при отводе тепла в холодильнике.

Если мы хотим непрерывно превращать тепло в работу, то должны наряду с расширением, непрерывно сжимать рабочее тело, причем работа сжатия должна быть меньше работы расширения. Итак, всякий тепловой двигатель (рис. 1) должен состоять из следующих четырех основных элементов: нагревателя 1, расширительной машины 2, холодильника 3 и компрессионной машины 4. Рабочее тело должно совершать круговой процесс, или, как говорят, цикл (рис. 2), в котором непрерывно чередуются процессы нагревания, расширения, охлаждения и сжатия.

Рис. 1. Принципиальная схема теплового двигателя		Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Нам могут возразить. Позвольте, но разве всякий тепловой двигатель имеет холодильник? Где же холодильник, например, у паровой машины паровоза или у двигателя внутреннего сгорания тепловоза? Ведь в этих машинах отработавший пар или продукты сгорания топлива выбрасываются в атмосферу. Это так. Но именно атмосфера является гигантским холодильником для множества тепловых двигателей земного шара. В стационарных паротурбинных электростанциях, где имеются конденсаторы-холодильники, отъем тепла от отработавшего пара осуществляется водой рек, озер и т. д., температура которой, как правило, ниже температуры воздуха.

Из сказанного вытекает важный вывод. Тепловые двигатели, использующие в качестве рабочего тела воздух (к ним принадлежит и газовая турбина), могут быть работоспособны лишь в том случае, когда рабочее тело перед расширением, т. е. в начальный момент совершения работы, имеет температуру и давление более высокие, чем температура и давление окружающего нас воздуха.

Важнейшей характеристикой теплового двигателя является его к. п. д.

Нетрудно видеть, что величина η_дв, характеризующая степень совершенства двигателя, показывает, какая часть тепла, полученного в результате сгорания топлива, превращается в полезную работу.

Если вспомнить, что полезная работа в двигателе получается за счет части теплового потока, т. е. численно равна разности между количеством тепла, взятым в нагревателе от топлива Q₁ и количеством тепла, отданным холодильнику Q₂, то

Термодинамика, изучающая закономерности взаимного превращения тепла и работы, доказывает, что для заданных условий подвода и отвода тепла максимально возможный к. п. д. тепловой двигатель может иметь только в том случае, если он будет работать по так называемому циклу Карно, к. п. д. которого

где T₁ и T₂ — абсолютные температуры нагревателя и холодильника.

Из этого выражения вытекает интересный вывод. К. п. д. теплового двигателя может быть равен единице (η_дв=1) только в двух случаях: когда T₁=∞ (бесконечно большая температура нагревателя) или T₂=0 (абсолютный нуль). И то, и другое недостижимо, а следовательно, недостижимо и значение η_дв=1. В этом заключается существо положения о невозможности создания вечного двигателя второго рода.

Теперь вновь возвратимся к общей схеме теплового двигателя (см. рис. 1). Рассмотрим несколько примеров.

На паровозе роль нагревателя выполняет паровой котел, в котором тепло сгоревшего топлива идет на испарение воды и перегрев пара. Роль расширительной машины выполняет поршневая паровая машина; холодильником, как мы уже говорили, является окружающий воздух; сжатие рабочего тела (воды) осуществляет инжектор. В тепловозном дизеле три из четырех процессов — сжатие, сгорание топлива и расширение — происходят в объеме цилиндра, и только роль холодильника по-прежнему выполняет окружающий воздух. Не случайно дизели называют двигателями внутреннего сгорания. Ниже будет показано, что те же стадии процесса, но с другими конструктивными элементами, имеют место и в газотурбинном двигателе (ГТД), а роль расширительной машины в нем выполняет газовая турбина.

Итак, мы видим, что газовая турбина, так же как паровая машина или паровая турбина, строго говоря, не является тепловым двигателем в широком смысле этого слова, а есть лишь элемент теплового двигателя, в котором осуществляется важнейший этап цикла — расширение рабочего тела, т. е. превращение тепла в работу.

Очевидно, что каждый элемент теплового двигателя обладает какой-то степенью несовершенства выполнения возложенных на него функций. Так, в паровом котле паровоза не все тепло сгоревшего топлива отдается воде и пару. Часть теряется с уходящими газами, с несгоревшим топливом, в связи с химической неполнотой сгорания и т. д. В расширительных машинах не все тепло, предназначенное для преобразования, или, как говорят, не весь располагаемый теплоперепад, превращается в полезную механическую работу. В паровых и газовых турбинах часть кинетической энергии струи теряется с покидающим турбину потоком; имеют место потери энергии от трения, утечек рабочего тела и т. п. В результате действительно использованный теплоперепад оказывается несколько меньшим располагаемого. Это учитывается относительным к. п. д. Например, относительный к. п. д. турбины

Нетрудно видеть, что относительный к. п. д. характеризует степень совершенства того или иного агрегата теплового двигателя. В турбинах — это совершенство процесса расширения, оценка величины потерь энергии в этом процессе.

Относительные к. п. д. отдельных агрегатов в отличие от к. п. д. теплового двигателя в целом, как правило, имеют достаточно высокое значение и принципиально могут быть весьма близки к единице. Например, если к. п. д. современных ГТД массового производства находится на уровне 0,25—0,30, то относительные к. п. д. турбин и компрессоров достигли значений 0,88—0,90, а в ряде случаев и еще бо́льших.

Рис. 3. Модель газовой турбины:

1 — сопловой аппарат; 2 — рабочая лопатка; 3 — рабочее колесо

В двигателе внутреннего сгорания поршень движется неравномерно с резко переменной скоростью: от нуля до некоторой максимальной и опять до нуля. Если коленчатый вал двигателя совершает 3 000 об/мин, то поршень за одну секунду 100 раз изменяет направление своего движения. У самых быстроходных двигателей внутреннего сгорания скорость поршня достигает 15—17, а у тепловозных дизелей 7—10 м/сек. Вот с какой скоростью расширяется воздух с продуктами сгорания топлива в цилиндре, а ведь известно, что, если воздуху, пару или газу дать возможность расширяться в свободной струе, то его скорость может достигать и даже превышать скорость звука (300—400 м/сек). Таким образом, значительное повышение числа оборотов и мощности двигателя возможно лишь в случае принципиального изменения характера расширения рабочего тела — от расширения в замкнутом объеме к расширению в свободной струе с последующим превращением кинетической энергии струи в механическую работу. В этом состоит смысл перехода к турбинным двигателям, в том числе и газотурбинным.

Газовая турбина (рис. 3) состоит по меньшей мере из двух основных элементов: соплового аппарата 1 с направляющими лопатками, образующими каналы для течения и расширения газа, и вращающегося рабочего колеса (ротора) 3 с рабочими лопатками 2, также образующими межлопаточные каналы.

Сжатый и нагретый до высокой температуры газ, воздух или смесь воздуха и газа (продуктов сгорания топлива) поступают вначале в сопловой аппарат турбины. Межлопаточные сопловые каналы, или, как их просто называют, сопла, суживаются к выходу, значит, скорость газа при течении в них непрерывно повышается, а давление падает. На выходе из сопел газ имеет скорость несколько сотен метров в секунду. Далее, газовая струя попадает в межлопаточные каналы рабочего колеса. На рабочие лопатки газовая струя может воздействовать двояким образом, в соответствии с чем и турбины делятся на два класса: активные и реактивные.

Рис. 4. Течение газа в активной турбине

Рис. 5. Течение газа в реактивной турбине

В активных турбинах поступивший в межлопаточные каналы рабочего колеса с большой скоростью газ встречает на своем пути изогнутую лопатку (рис. 4), которая отклоняет, поворачивает на некоторый угол струю. При повороте струи возникает центробежная сила, которая давит на вогнутую сторону лопатки, заставляя ротор вращаться. Газ, отклоненный лопатками турбины в сторону, противоположную первоначальному направлению, покидает рабочее колесо. Так как часть своей кинетической энергии газ отдал на работу вращения колеса, то скорость, с которой он выходит из каналов рабочего колеса, значительно меньше, чем скорость, с которой он подошел к ним. Рабочие лопатки активной турбины выполняют такой формы, чтобы между ними образовались каналы постоянного сечения. В таком канале не происходит расширения потока, давление его остается практически постоянным; поток только поворачивается, совершая работу.

Можно выполнить рабочие лопатки такой формы, чтобы между ними образовались, подобно сопловым, каналы переменного сечения — суживающиеся к выходу (рис. 5). Тогда газ, проходя по этим каналам, будет продолжать расширяться, т. е. его скорость движения в каналах будет несколько возрастать. В суживающихся криволинейных каналах рабочего колеса, помимо центробежного давления от поворота потока лопатки испытывают еще и реактивное давление в направлении, обратном направлению истекающей из межлопаточных каналов струи газов. Турбины, работающие по такому принципу, называются реактивными.

Уже только по одному сечению рабочих лопаток можно сказать, какая это турбина: активная или реактивная. Сечение активной лопатки (рис. 4) симметрично относительно средней оси и имеет утолщение в средней части канала; реактивная лопатка по форме приближается к каплевидной, ее утолщенная часть находится ближе к входной кромке (рис. 5). Если рабочее колесо турбины неподвижно, то движение газа в межлопаточном канале является единственной, абсолютной формой движения потока (рис. 6, а). Предположим, что из направляющих сопел газ вышел со скоростью c₁, тогда с этой же скоростью он войдет в межлопаточный канал колеса и практически с той же скоростью (величиной c₂), но измененной по направлению он покинет колесо. Нерабочее колесо не остается неподвижным, оно вращается, лопатки движутся по окружности. Это значит, что частицы газа, движущиеся в межлопастном канале, участвуют в сложном движении: вдоль канала или, как говорят, в относительном (относительно лопаток колеса) движении и во вращательном движении лопаточного венца ротора. Отсюда следует, что скорости, с которыми частицы газа перемещаются относительно стенок лопаток, являются не абсолютными скоростями (как, например, скорости c₁ и c₂ при неподвижном роторе), а только относительными.

Газ подходит к началу рабочего колеса с абсолютной скоростью c₁ (рис. 6, б), но движущиеся с окружной скоростью u лопатки как бы удаляются от газовой струи. Происходит сложение скоростей, в результате чего действительная скорость, с которой газ начинает двигаться в межлопаточном рабочем канале, равна относительной скорости w₁. При выходе газа из колеса относительная скорость w₂, с которой газ заканчивает свое движение в межлопаточном канале, складывается геометрически с окружной скоростью u, в результате чего абсолютная скорость потока за колесом c₂ имеет отличную от c₁ и величину, и направление.

Рис. 6. Характер изменения скоростей в турбине:

а — неподвижный ротор; б — вращающийся ротор

Когда мы говорим о доле кинетической энергии газового потока, превращенной в механическую работу, то, естественно, имеем в виду разность кинетических энергий на входе и на выходе из колеса, подсчитанных по абсолютным скоростям c₁ и c₂. Что же показывают относительные скорости w₁ и w₂? Оказывается прежде всего, что изменение этих скоростей определяет характер преобразования энергии в межлопаточном рабочем канале. В активных турбинах, где сечение рабочего канала остается постоянным, скорость w₁ почти не изменяется по величине: w₂ немного меньше, чем w₁, только за счет потерь от трения и вихреобразования. В реактивных турбинах, где в рабочем канале имеет место дальнейшее расширение потока, скорость w возрастает, т. е. w₂ больше, чем w₁. Таким образом, именно возрастание относительной скорости w создает эффект реактивного давления потока на рабочую лопатку турбины.

Из рис. 6 видно, что скорости c, u и w взаимно связаны. Скорости c₁ и u определяют величину w₁, с которой связана условием течения потока скорость w₂, а она в свою очередь вместе с окружной скоростью u образует скорость c₂. Значит, выходная скорость c₂, определяющая теряемую за турбиной кинетическую энергию, т. е. в итоге экономичность турбины, зависит от величин c₁ и u.

Для экономичной работы турбины важны не абсолютные значения этих скоростей, а отношение окружной скорости u к скорости истечения газа из сопел c₁. Только при определенной величине этого отношения (рис. 7) относительный к. п. д. турбины достигает максимального значения; при иных значениях u/c₁ он резко падает и даже обращается в нуль. Для активных турбин наивыгоднейшее значение характеристики u/c₁ равно 0,4—0,5; для реактивных 0,7—0,9.

Рис. 7. Зависимость относительного к. п. д. турбины от характеристики u/c₁

Скорость истечения газа из сопел c₁ получается в результате преобразования теплоперепада в кинетическую энергию струи и, следовательно, характеризует работоспособность турбины; окружная скорость вращения лопаток u при заданном диаметре колеса и высоте лопаток является синонимом числа оборотов, т. е. характеризует быстроходность турбины. Итак, в турбине работоспособность тесно связана с ее быстроходностью. Чем больший теплоперепад вы хотите превратить в работу в турбине, тем с большим числом оборотов она должна вращаться.

В газовых турбинах скорость c₁ достигает 300—400 м/сек и, следовательно, окружная скорость u должна быть 200—300 м/сек. Именно поэтому газовые турбины работают с очень высокими числами оборотов: 8 000—10 000 об/мин и более.

Весьма интересно, что быстроходность турбин, как правило, возрастает с уменьшением их мощности. Ведь мощность турбины определяется не только величиной теплоперепада, но и количеством рабочего тела, проходящего через турбину в единицу времени. Чем меньшее количество газа при заданном теплоперепаде участвует в процессе, тем меньше работа, совершаемая турбиной. Но для меньшего расхода газа нужно меньшее сечение сопловых и рабочих каналов, что приводит к необходимости уменьшения диаметра рабочего колеса, и соответственно к повышению скорости вращения турбины. Так, в современных автомобильных газотурбинных двигателях мощностью 200—300 л. с. она достигает 60 000—90 000 об/мин.

Для экономичности турбины при ее работе почти безразлично, за счет чего изменяется величина характеристики u/c₁, за счет ли изменения окружной скорости u или скорости истечения c₁. Представим себе, что турбина при изменении режима мощности работает при неизменном располагаемом теплоперепаде и, следовательно, скорости c₁, но изменяется число оборотов, т. е. окружная скорость u. Тогда, очевидно, будет изменяться характеристика u/c₁ и соответственно ей по кривой на рис. 7 будет изменяться и относительный к. п. д. турбины. Вот чем объясняется очень резкая зависимость к. п. д. турбины от ее числа оборотов, весьма важная для транспортных машин.

Многоступенчатые турбины

Выше мы познакомились с простейшей газовой турбиной, в которой последовательно расположен сопловой аппарат и рабочее колесо. Такую систему называют ступенью турбины, а турбину в целом — одноступенчатой. Систему каналов, образуемых сопловыми и рабочими лопатками, кроме того, называют проточной частью турбины.

Одноступенчатые турбины просты, дешевы в изготовлении, однако их применение весьма ограниченно и притом главным образом в рамках активных конструкций. Оказывается, что это является следствием установленной выше жесткой связи между работоспособностью и быстроходностью ступени турбины.

Действительно, если каждому заданному теплоперепаду на ступень должна соответствовать вполне определенная окружная скорость вращения лопаток, то, очевидно, существует предельное значение теплоперепада, которое с достаточной эффективностью можно использовать в ступени турбины. Ведь повышение окружной скорости u, т. е. чисел оборотов, не может быть безграничным: лопатки турбины работают в очень тяжелых условиях — при высоких температурах и больших динамических усилиях. Например, только центробежная сила, действующая на лопатку, достигает 4—5 Т.

В чем же здесь наблюдается различие для активных и реактивных турбин?

В активных турбинах, как мы уже знаем, расширение потока, т. е. преобразование теплоперепада в скорость, происходит только в сопловом аппарате, в то время как в реактивных — и в сопловых, и в рабочих каналах. Это значит, что при одинаковом теплоперепаде скорость c₁ в активной ступени будет несколько выше, чем в реактивной. Однако наивыгоднейшее соотношение скоростей u/c₁ для активных ступеней примерно в 2 раза ниже, чем у реактивных. В результате при одинаковых окружных скоростях работоспособность активных турбин выше, чем реактивных (30—40 ккал/кг против 20—30 ккал/кг).

Казалось бы, что предпочтение следует отдать активным турбинам. В паросиловых установках это обычно и делается. Однако газовые турбины, как правило, реактивные. Это происходит по нескольким причинам. Прежде всего в современных ГТД в связи с высокой температурой (800—900°C) и сравнительно низким давлением (6—10 кГ/см²) рабочего тела через проточную часть турбины проходят очень большие объемы газа. Поэтому лопатки оказываются достаточно длинными, а так как по высоте лопатки изменяются условия преобразования энергии (реактивность возрастает от корня лопатки к периферии), то чисто активный процесс осуществить практически невозможно. Кроме того, реактивные ступени имеют более высокий к. п. д., нежели активные.

Итак, в реактивной ступени газовой турбины превратить в работу с достаточно высоким к. п. д. можно около 20—30 ккал тепла каждого килограмма рабочего тела. А как же быть, если нужно превратить в работу больший теплоперепад, например 100—150 ккал?

В этом случае общий располагаемый теплоперепад делят на части (например 100 ккал на 5 частей по 20 ккал), каждую из которых можно достаточно эффективно преобразовать в одной ступени; турбину же выполняют в виде последовательного соединения ряда ступеней, т. е. делают многоступенчатой.

Турбина, естественно, получается сложнее, тяжелее, дороже, но это оправдывается целым рядом обстоятельств. Представляется возможным в одном агрегате реализовать высокие теплоперепады при умеренных окружных скоростях, кроме того к. п. д. многоступенчатой турбины даже несколько выше, чем к. п. д. каждой из ее ступеней. Это имеет место по следующим причинам. Когда газ движется по криволинейным каналам поточной части турбины, то в связи с вихреобразованием и трением часть кинетической энергии превращается в тепло. В одноступенчатой турбине это тепло полностью теряется с покидающим турбину газовым потоком, а в многоступенчатой турбине некоторая доля этого тепла используется в последующей ступени и только в последней ступени теряется полностью.

В конструктивном отношении многоступенчатые газовые турбины проще, чем, например, двигатели внутреннего сгорания, однако требуют высокого класса точности изготовления и специальных материалов, особенно для рабочих лопаток и дисков ротора.

Рис. 8. Общий вид пятиступенчатой турбины:

1 — корпус; 2 — ротор; 3 — задний опорный подшипник; 5 — передний опорный подшипник; 4, 6 — лабиринтные уплотнения

На рис. 8 показан поперечный разрез пятиступенчатой газовой турбины. Разнообразные детали турбины можно объединить в две группы — два основных узла: корпус или статор турбины, где сосредоточены ее неподвижные элементы, и ротор с валом, воспринимающий и передающий механическую работу.

Корпус турбины обычно выполняется литым с горизонтальным разъемом, имеет входной и выходной патрубки, между которыми размещается сопловой направляющий аппарат. Направляющие сопловые лопатки вставляются в специальное внешнее кольцо-обойму, укрепляемую в свою очередь в пазах корпуса. Этим обеспечивается свободное радиальное расширение лопаточного аппарата при нагревании. В корпусе между обоймами, где в непосредственной близости к корпусу с высокой скоростью проходят вершины рабочих лопаток, иногда вставляют специальные прокладки, соприкосновение с которыми безопасно для лопатки. Это позволяет до минимума свести радиальный зазор между рабочей лопаткой и корпусом, уменьшить перетечки газа и тем самым повысить к. п. д. турбины. По концам корпуса в местах прилегания вала ротора предусматривается постановка опорных подшипников и лабиринтных уплотнений.

Роторы газовых турбин бывают либо барабанной, либо многодисковой конструкции (рис. 9), причем в последнем случае по внешней поверхности диски сваривают или специально скрепляют. Вал турбины выполняют заодно с крайними дисками, и, таким образом, он составляет одно целое с ротором.

Рис 9. Ротор турбины

Как мы уже говорили, лопатки газовых турбин работают в исключительно тяжелых условиях. Большие окружные скорости вращения и скорости движения газа вызывают значительные центробежные и изгибающие нагрузки, а высокие температуры газа понижают сопротивляемость материала. На лопатки действуют центробежные и газодинамические силы. Первые, возникая при вращении диска, вызывают не только растяжение материала, но и изгиб, поскольку центр тяжести отдельных сечений лопатки не лежит на одном радиусе — лопатки, по условиям наивыгоднейшего преобразования энергии потока достаточно сильно закручены по высоте. Газодинамические силы являются результатом давления на лопатку проходящих газов. Эти силы сравнительно невелики, но из-за наличия сопловых перегородок часто изменяют свою величину, создавая пульсации давления газа, приводящие к усталости материала.

При высоких температурах и нагрузках может наблюдаться явление ползучести материала; горячие газы могут окислять металл, оказывать на него механическое воздействие.

Требования длительной устойчивости против всех перечисленных факторов являются основными при выборе металла для лопаток газовой турбины. Ясно, что даже самые высококачественные стали не могут удовлетворять этим требованиям, поэтому рабочие лопатки газовых турбин делают из сплавов никеля, хрома, марганца, ванадия, молибдена и других редких металлов. Следует отметить, что в турбине по мере расширения газа его температура от ступени к ступени снижается, поэтому на последних рядах лопаток можно использовать менее дефицитный материал. Еще более умеренные требования к материалу сопловых лопаток, не подверженных действию центробежных сил, и дисков ротора, хотя и здесь серьезное внимание уделяется вопросам жаропрочности и жаростойкости.

Тяговые свойства турбины

При трогании состава с места на ведущих колесах локомотива должен быть реализован максимальный вращающий момент, или, как говорят, максимальная сила тяги; по мере увеличения скорости движения сила тяги должна снижаться. Идеальным транспортным двигателем можно считать такой, который во всем диапазоне рабочих скоростей передает на движущие оси локомотива постоянную мощность. В этом случае сила тяги изменяется обратно пропорционально скорости движения, и тяговая характеристика представляется в виде так называемой равнобокой гиперболы (рис. 10).

Рис. 10. Гиперболическая тяговая характеристика

Таких двигателей в природе нет и, видимо, нет необходимости в их создании. Как видно, следуя законам гиперболической кривой, при трогании поезда с места двигатель должен создать бесконечно большое тяговое усилие. А это и не нужно, так как ни один локомотив не сможет реализовать эту силу тяги.

Железнодорожникам хорошо известно, что максимальное тяговое усилие локомотива определяется условиями сцепления колеса и рельса. Если действительная сила тяги выше силы ограничения по сцеплению (см. рис. 10), то наступает боксование — срыв сцепления и проскальзывание колес. Значит, гиперболическая характеристика, строго, говоря, необходима лишь в ограниченном рабочем диапазоне скоростей движения v_n—v_max.

Нужно отдать должное паровозу. Его поршневая машина имеет очень хорошие тяговые качества.

При трогании с места осуществляется наибольшее наполнение цилиндра и максимальное давление пара на поршень, т. е. тяговое усилие; общая тяговая характеристика паровой машины достаточно близка к гиперболе.

Несколько иная картина у тепловозного двигателя внутреннего сгорания. Тяговые качества дизеля, как ни странно, неудовлетворительны. Действительно, если, например, коленчатый вал двигателя жестко связать передачей с колесами локомотива, то, очевидно, последний с места не стронется, так как при неподвижном вале двигатель не развивает никакой мощности. При трогании с места любой транспортной машины с двигателем внутреннего сгорания — автомобиля, трактора или тепловоза — необходимо, чтобы в момент трогания двигатель имел вполне определенные обороты, развивал мощность. А это значит, что между двигателем и ведущими колесами должна существовать не жесткая, а гибкая связь, в которой бы мощность, образованная высокими оборотами и малым тяговым усилием, преобразовывалась в малые обороты и высокую силу тяги. На тепловозах роль такой гибкой связи выполняет либо электрическая передача постоянного тока, либо гидромеханическая передача, включающая в себя гидравлические муфты и гидротрансформаторы — гидравлические турбины специальной конструкции.

Рис. 11. Образование радиального и осевого давления потока

Газовая турбина является типичным тяговым двигателем. Она развивает максимальный вращающий момент именно тогда, когда необходима наибольшая сила тяги локомотива — при трогании с места. Вращающий момент на лопаточном венце турбины появляется в результате центробежного и реактивного давления газа на вогнутую часть лопатки при движении потока в межлопаточных каналах с относительными скоростями w₁ и w₂. Скорость w в некотором масштабе можно принять за силу, с которой действует на лопатку каждый килограмм газа, протекающий в секунду в межлопаточном канале. Тогда эту силу можно, очевидно, разложить на две (рис. 11): действующую в направлении, касательном к кругу вращения, т. е. в направлении окружной скорости u, и на силу, действующую вдоль вала турбины, — осевую. Первая, приложенная на плече, равном радиусу вращения, создает вращающий момент, а вторая либо воспринимается упорными подшипниками, либо в том случае, когда турбина связана единым валом с компрессором, погашается аналогичным, но противоположно направленным усилием в компрессоре.

Рис. 12. Изменение тягового момента на венце турбины при изменении числа оборотов

На рис. 12 наглядно показано, как изменяется окружная составляющая скорости и давления на лопатку (составляющая скорости w) при изменении окружной скорости, т. е. числа оборотов турбины. Как видно, вращающий момент на лопаточном венце турбины снижается почти строго по прямой линии от максимального значения при нуле оборотов (u = 0) до нуля при некоторых максимальных оборотах ротора турбины. Итак, газовая турбина обеспечивает прямолинейную, а не гиперболическую тяговую характеристику. А это значит, что только в одной точке, при одной скорости сохраняется полная мощность; во всех остальных скоростных режимах имеют место потери мощности. Это происходит в связи с резким изменением относительного к. п. д. турбины в зависимости от характеристики u/c₁, с которым мы познакомились выше.

Рис. 13. Прямолинейная и гиперболическая тяговые характеристики

Интересующие нас тяговые и мощностные кривые совмещены на рис. 13. Нетрудно видеть, что для обеспечения гиперболической тяговой характеристики в рабочем диапазоне скоростей нужно немного «искривить» тяговую прямую газовой турбины. Можно ли это сделать? Оказывается, да. При изменении оборотов турбины по отношению к расчетным, когда к. п. д. турбины имеет максимум, увеличивается пропускная способность турбины, т. е. через ее проточную часть оказывается возможным пропустить большие количества газа. Если использовать это свойство турбины и подводить к ней на малых и больших оборотах увеличенное количество газа, то можно получить тяговую характеристику двигателя и, следовательно, локомотива очень близкую к требуемой. Улучшение тяговых свойств турбины может быть получено при использовании в турбине так называемых атакоустойчивых профилей лопаток с ярко выраженной скругленной входной кромкой.

Тяговая характеристика турбины при определенных оборотах дает нуль вращающего момента, т. е. силы тяги. А что, если обороты турбины будут выше этих предельных значений? Оказывается, что в этих условиях турбина будет работать как компрессор и не только не будет давать полезного вращающего момента на вал, а, наоборот, требовать для своего вращения внешнего источника мощности. Значит, существует область отрицательных моментов, т. е. режимов работы, в которых турбина может выполнять роль газодинамического тормоза, поглощающего внешнюю по отношению к турбине мощность. Эти тормозные качества турбины могут быть эффективно использованы при ее работе в качестве тягового двигателя на железнодорожном подвижном составе.

Осевые и центробежные компрессоры

В двигателях, у которых роль расширительной машины выполняет газовая турбина, сжатие рабочего тела (воздух, газ), как правило, осуществляется в компрессорах такого же типа, как и сама газовая турбина.

В настоящее время получили распространение компрессоры осевые, центробежные и комбинированные (последовательное соединение осевых и центробежных компрессоров).

Рис. 14. Принципиальная схема осевого компрессора:

1 — рабочее колесо; 2 — направляющий аппарат

Рис. 15. Ротор компрессора

Рис. 16. Универсальная характеристика осевого компрессора:

G — расход воздуха; n — число оборотов; π — степень повышения давления, η — к. п. д.

Осевыми называют компрессоры, у которых направление движения сжимаемого в проточной части воздуха является осевым — вдоль вала ротора компрессора. Компрессор в известной степени можно рассматривать как обращенную турбину: внешняя механическая энергия подводится к рабочему колесу, которое в свою очередь сообщает воздуху кинетическую энергию, преобразуемую далее в энергию давления.

На рис. 14 показана ступень осевого компрессора. При вращении рабочего колеса 1 его лопатки, стоящие под некоторым углом к плоскости вращения, набегают с окружной скоростью u на неподвижный воздух и заставляют его двигаться со скоростью c₀; в межлопаточный рабочий канал воздух попадает с относительной скоростью w₁. В рабочем канале в связи с различными потерями скорость w₁ несколько снижается до величины w₂ на выходе из канала; в результате сложения осевого и вращательного движений воздух покидает рабочее колесо со скоростью c₁. В направляющем аппарате 2, являющемся лопаточным диффузором (расширяющимся каналом), скорость потока снижается до величины c₂ (c₂≈c₀), а давление повышается.

Работа ступени компрессора характеризуется степенью повышения давления воздуха в ней, т. е. отношением давления потока за ступенью к давлению перед ступенью. Так как процесс повышения давления происходит в расширяющемся канале, то степень повышения давления в ступени определяется степенью расширения диффузорного канала. Оказывается, что именно здесь лежит ограничение процесса сжатия. При движении воздуха по криволинейному расширяющемуся каналу возникают условия, способствующие возникновению вихрей и отрыву потока от стенок. Это ограничивает возможности значительного расширения канала и соответственно повышения в нем давления. В связи с этим степень повышения давления в одной ступени осевого компрессора весьма невелика — 1,2—1,3. Если же необходима большая степень повышения давления, компрессор выполняют многоступенчатым — как последовательное соединение ряда осевых ступеней. Ротор такого компрессора показан на рис. 15. Общая степень повышения давления в многоступенчатом компрессоре равна произведению степеней повышения давления отдельных ступеней. Если, например, необходимо, чтобы компрессор сжимал воздух до 7,5 кГ/см², нужно, чтобы он имел около — 10—11 ступеней (1,2¹¹ = 7,42).

Эффективность компрессора, так же как и турбины, оценивается внутренним относительным к. п. д. Величина его показывает, какая часть механической энергии, подведенной извне к компрессору, превращена в энергию давления сжатого воздуха. Расчет и проектирование осевого компрессора представляет собой очень сложную аэродинамическую задачу, поэтому только в последние годы была решена проблема создания компрессоров высокой экономичности (η_к = 0,85—0,9), что весьма способствовало развитию и внедрению газотурбинных двигателей.

Осевые компрессоры получили широкое распространение в стационарных и транспортных газотурбинных установках благодаря ряду их достоинств: высокой экономичности, высокой оборотности, что позволяет соединить валы компрессора и турбины, возможности сжатия колоссального количества воздуха (100—150 т в час и более). Вместе с тем осевые компрессоры имеют и существенные недостатки. Прежде всего в дозвуковых (скорость течения воздуха в проточной части меньше скорости звука) компрессорах степень повышения давления в одном корпусе многоступенчатого компрессора ограничена величинами порядка 8—10. При более высоких давлениях сжатия лопатки последних ступеней компрессора получаются очень малой высоты, возрастает влияние зазора между лопаткой и корпусом (перетечки воздуха) и падает экономичность компрессора.

Осевые компрессоры резко изменяют свои характеристики (степень повышения давления и к. п. д.) при изменении числа оборотов (рис. 16). Это происходит потому, что изменение расхода воздуха осуществляется при неизменном сечении межлопаточных каналов, следовательно, одновременно изменяется и давление, до которого он сжимается. В некоторой зоне характеристик наблюдается неустойчивая работа компрессора периодически повторяющиеся мгновенные закупорки его проточной части, сопровождающиеся своеобразным звуком. Эту зону называют зоной помпажа. Явление помпажа связано с отрывом потока от задней выпуклой части лопатки при изменении расхода воздуха и его скорости.

Рис 17. Схема центробежного компрессора:

1 — входное устройство; 2 — рабочее колесо с лопатками; 3 — диффузор; 4 — выходные патрубки

Рис. 18. Схема осецентробежного комбинированного компрессора:

1 — осевой компрессор; 2 — центробежная ступень

В центробежных компрессорах давление воздуха создается, как и в осевых, за счет сил, возникающих от воздействия вращающихся лопаток на сжимаемый поток, однако в повышении давления существенную роль еще играют центробежные силы. В связи с этим в центробежных компрессорах могут быть осуществлены бо́льшие, чем в осевых, соотношения давлений сжатия в ступени.

Воздух, всасываемый в компрессор (рис. 17) через входной патрубок 1, натекает на лопатки рабочего колеса 2 с абсолютной скоростью c₁. В результате векторного вычитания из этой скорости окружной скорости u воздух входит в рабочее колесо с относительной скоростью w₁ (см. сечение А—А). Если поперечное сечение канала рабочего колеса увеличивается к выходу, то относительная скорость воздуха внутри канала уменьшается до величины w₂, за счет чего происходит повышение давления потока. К этому добавляется повышение давления за счет действия центробежных сил. В результате на выходе из рабочих лопаток воздух имеет повышенное давление и еще сравнительно большую скорость. Проходя далее расширяющиеся каналы неподвижного лопаточного диффузора 3, поток воздуха еще более теряет свою скорость, а давление его повышается. Рассмотренный центробежный компрессор называется одноступенчатым, и в нем возможно сжать воздух до 3—4 кГ/см². Более высокое сжатие достигается последовательным включением ряда центробежных ступеней. Центробежные компрессоры, особенно в одноступенчатом исполнении, имеют к. п. д. несколько ниже осевых, однако они чрезвычайно компактны, поэтому нашли широкое распространение в авиационных ГТД и в наддувочных агрегатах транспортных дизелей.

Чтобы получить большие степени повышения давления, приходится идти либо по пути разделения корпусов и валов, либо по пути последовательного соединения осевого и центробежного компрессоров (рис. 18). Такие компрессоры называют комбинированными, или осецентробежными. Они имеют небольшие осевые габариты, дают возможность сжимать воздух до 10—12 кГ/см².

Глава II

Газотурбинные двигатели

Простейший одновальный газотурбинный двигатель

Как и всякий тепловой двигатель, газотурбинный должен включать в себя: нагреватель, расширительную машину, холодильник и компрессионную машину. Далее мы будем рассматривать газотурбинные двигатели (ГТД) только так называемого открытого цикла, в которых путем выпуска газа в атмосферу и всасывания воздуха осуществляется постоянная замена рабочего тела. В отличие от этого в замкнутых циклах подвод и отвод тепла к рабочему телу осуществляются через теплопередающую поверхность (рабочее тело не смешивается с продуктами сгорания топлива и окружающим воздухом), а в системе двигателя циркулирует постоянное количество одного и того же рабочего тела.

На рис. 19 показана принципиальная схема простейшего одновального ГТД. Двигатель состоит из компрессора 1 (в данном случае осевого), камеры сгорания 2 и газовой турбины 3. ГТД называется одновальным, — один вал соединяет компрессор и турбину; к этому же валу присоединяется вал внешнего потребителя мощности.

Рис. 19. Схема простейшего одновального ГТД:

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — газовая турбина

Двигатель работает следующим образом: компрессор засасывает атмосферный воздух и сжимает его до необходимого давления (6, 7, 8 кГ/см² и т. д.); далее этот воздух поступает в камеру сгорания, где в его среде сжигается топливо. За счет тепла сгоревшего топлива температура воздуха резко повышается (до 700—800° и даже более); высоконагретая смесь сжатого воздуха и продуктов сгорания топлива поступает в газовую турбину, в ней расширяется и совершает работу; отработавшие в турбине газы выбрасываются в атмосферу. Механическая работа, получаемая на лопатках газовой турбины, расходуется в двух направлениях: часть ее, причем бо́льшую, забирает на работу сжатия компрессор, а часть в виде полезной работы идет внешнему потребителю.

Принципы работы турбины и компрессора нам уже знакомы. Остановимся на особенностях организации рабочего процесса и конструкции камеры сгорания. Строго говоря, на месте камеры сгорания, т. е. на пути воздуха из компрессора в турбину, может стоять любой агрегат, способный сжечь топливо и передать тепло продуктов сгорания этому сжатому воздуху. И надо сказать, что только в связи с этим обстоятельством (имеется в виду главным образом использование разнообразных жидких и твердых топлив) различают значительное количество схем и конструкций ГТД. Например, в качестве топливосжигающего и передающего тепло агрегата в ГТД может являться атомный котел (ядерное топливо), воздушный котел (твердое пли пылевидное топливо), утилизационный теплообменник (использование отходов тепла промышленных предприятий) и т. д.

Для нас наибольший интерес представляют ГТД, использующие жидкие топлива. В этих случаях преимущественное распространение получили прямоточные камеры сгорания с непосредственным сжиганием топлива в среде сжатого воздуха.

Рис. 20. Камера сгорания:

1 — форсунка; 2 — жаровая труба; 3 — кожух камеры; 4 — регистр

Камера сгорания представляет собой систему двух труб (рис. 20): наружной, называемой кожухом камеры, и внутренней пламенной, или жаровой, трубы. Поток воздуха, идущий из компрессора к камере сгорания, разделяется в ней на две части: меньшая часть (15—20% — первичный воздух) через специальный направляющий аппарат, называемый регистром, входит в жаровую трубу непосредственно к горящему факелу и участвует в воспламенении и сгорании топлива. Остальной воздух (вторичный) проходит между кожухом камеры и жаровой трубой, охлаждает ее и через систему отверстий и щелей поступает внутрь жаровой трубы для смешения с продуктами сгорания топлива. В зоне горения температура достигает 1600—1800°C, поэтому основная роль вторичного воздуха состоит в снижении температуры газовоздушной смеси до той величины, на которую рассчитана газовая турбина (700—800°C и т. д.). Вторичного воздуха требуется очень большое количество, поэтому в итоге на каждый килограмм сожженного в камере сгорания топлива компрессор должен сжимать и подавать в камеру свыше 70—80 кг воздуха. Именно этим объясняется тот факт, что в современных газотурбинных двигателях в работе участвует колоссальное количество воздуха — 6—8 кг/сек на каждые 1 000 л. с. полезной мощности. Так, например, в двигателе мощностью 3 000 л. с. компрессор сжимает свыше 100 т атмосферного воздуха в час. Колебания этих громадных объемов воздуха во всасывающем патрубке компрессора и в выпускном патрубке турбины создают сильный высокочастотный звук, хорошо нам знакомый по шуму пролетающих самолетов с турбовинтовыми или турбореактивными двигателями.

Нетрудно видеть, что собственно газов — продуктов сгорания топлива в воздухе очень мало, в турбину поступают не газы, а почти чистый нагретый воздух. В связи с этим термин газовая турбина или ГТД имеет несколько условный характер.

Весьма важно, особенно для работы на железнодорожном транспорте, что в камере сгорания возможно сжигание низкосортного жидкого топлива (моторные топлива, дистилляты, облегченные мазуты, сырая нефть и т. д.). Одним из основных условий для сжигания того или иного сорта топлива, как известно, является время, которое отводится в процессе работы двигателя на воспламенение и сгорание топлива. В ГТД в отличие от поршневых сгорание топлива отделено от процессов сжатия и расширения рабочего тела, происходит в камерах сгорания непрерывно и не зависит от скорости вращения турбины. Поэтому в быстроходном ГТД время, в течение которого жидкое топливо сгорает в камере, примерно в 20 раз больше, чем, например, в цилиндре дизеля тепловоза.

Конечно, далеко не в каждой конструкции камеры сгорания можно сжигать тяжелое многозольное жидкое топливо. Это достигается специальной организацией процесса горения.

В связи с высокой вязкостью тяжелых жидких топлив для хорошего распыливания форсунками топливо приходится подогревать до 80—120°C. Но даже и в этих условиях пуск двигателя оказывается трудным. Поэтому в начале запуска используют более легкое дизельное топливо и зажигают его от электрической свечи; в последующем распыленное основное топливо подается непосредственно в горящий факел.

Эффективность камеры сгорания, так же как и любого топливосжигающего устройства, оценивается относительным к. п. д. Энергетические потери в камере имеют место от неполноты сгорания топлива и теплообмена наружной поверхности кожуха камеры с окружающей средой. Эти потери невелики и поэтому к. п. д. камеры сгорания достигает величин 0,97—0,98.

Камеры сгорания работают очень напряженно — теплосъем с единицы объема камеры примерно в 10—20 раз выше, чем в топке парового котла. Температура стенок жаровой трубы достигает 800—900°C, и поэтому жаровая труба, хотя и изготовляется из жароупорной, химически стойкой стали, является наиболее часто сменяемым (2000—3000 ч) элементом ГТД.

При расширении и сжатии воздуха или газа, как уже отмечалось выше, изменяется давление и температура, а значит, и удельный объем рабочего тела (объем 1 кг вещества). При сжатии повышается давление p, но уменьшается удельный объем v; при расширении, наоборот, уменьшается давление и растет удельный объем. Эта закономерность позволяет процессы расширения и сжатия изображать графически в виде кривых в координатах p—v. Последнее особенно важно потому, что площади в координатах — давление—удельный объем — численно выражают собой величину работы на 1 кг рабочего тела.

Рис. 21. Процессы, происходящие в ГТД:

I — сжатие; II — сгорание; III — расширение; IV — удаление продуктов сгорания

Рассмотрим и изобразим графически рабочий процесс простейшего ГТД (рис. 21). Атмосферный воздух засасывается в компрессор и, проходя через его проточную часть, сжимается (линия сжатия 1—2 показывает рост давления и уменьшение удельного объема); заштрихованная площадь — величину работы, затраченной на сжатие воздуха. Далее сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Процесс сгорания топлива и перемешивания продуктов сгорания со вторичным воздухом протекает почти при постоянном давлении, но рост температуры увеличивает объем рабочего тела (процесс показан горизонтальной линией 2—3). Горячие газы (точка 3) идут далее в газовую турбину, где расширяются и совершают работу. Процесс снижения давления при прохождении рабочим телом проточной части турбины и увеличения его объема изображается кривой 3—4, а заштрихованная площадь численно выражает собой полную работу газа в турбине. Из турбины отработавшие газы при давлении, очень близком к атмосферному, выбрасываются наружу. Освежение рабочего тела условно изображается горизонтальной прямой 4—1.

Рис. 22. Цикл и элементы газотурбинного двигателя (L — полезная работа, Lк — работа сжатия в компрессоре)

Нетрудно видеть, что линии процессов замкнулись, образовав фигуру 1—2—3—4—1; площадь, заключенная внутри этой фигуры и полученная как разность работы турбины и работы, затраченной на привод компрессора, показывает полезную работу, которую двигатель может отдать внешнему потребителю. Для наглядности на рис. 22 мы совместили конструктивные элементы ГТД с кривыми процессов, в них происходящих; пунктиром также показан условный процесс охлаждения рабочего тела атмосферным воздухом.

Экономичность ГТД

Полезная работа на валу двигателя, определяющая его эффективность не есть полная работа расширения рабочего тела в машине или турбине. Необходимо вычесть энергетические затраты на сжатие рабочего тела, т. е. взять разность работ расширения и сжатия. В паровом цикле, например в паровозе, инжектором или питательным насосом сжимается вода — почти несжимаемое тело, — работа сжатия настолько мала по сравнению с работой расширения пара в паровой машине, что ею в инженерных расчетах можно пренебречь. В паровом цикле решающую роль играют другие энергетические затраты — на превращение воды в пар, когда расходуется так называемая скрытая теплота парообразования; в том случае, когда отработавший пар не конденсируется, а выбрасывается в атмосферу, т. е. эти затраты безвозмездно теряются, паровой цикл (как, например, у паровоза) имеет очень низкий к. п. д.

В воздушно-газовых циклах расширяется и сжимается рабочее тело одного агрегатного состояния — воздух или газ, и работа в этих процессах составляет величины одного и того же порядка. Таким образом, к. п. д. двигателя

В современных газотурбинных двигателях работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре чрезвычайно велика: около 60—70% мощности турбины уходит на привод компрессора. Так, если полная мощность турбины 10 000 л. с., то 6 000—7 000 л. с. забирает компрессор и только 3 000—4 000 л. с. может быть полезно использовано.

Известно, что чем холоднее воздух, тем меньше его удельный объем и меньше нужно затратить работы на сжатие воздуха до заданного давления. С другой стороны, чем выше при данном давлении температура газов перед турбиной, тем больше работа расширения и, следовательно, мощность турбины. Это значит, что чем холоднее окружающий воздух и чем выше температура газовоздушной смеси на выходе из камеры сгорания — перед турбиной, тем больше полезная мощность, отнесенная к одному килограмму рабочего тела, и экономичность двигателя. Этим, с одной стороны, объясняется то обстоятельство, что в зимних условиях один и тот же ГТД развивает бо́льшую мощность и более экономичен, нежели летом. Отсюда также вытекает одна из центральных проблем газотурбостроения — проблема повышения температуры газов перед турбиной как очень мощного средства повышения экономичности ГТД.

Оказывается, что характеристикой цикла может служить не каждая из этих граничных температур в отдельности, а их отношение — отношение абсолютной температуры газов перед турбиной к абсолютной температуре окружающего воздуха. С увеличением этого отношения растет к. п. д. и удельная работа (работа 1 кг воздуха) цикла ГТД.

На рис. 23 показана зависимость к. п. д. газотурбинного двигателя простейшей схемы от температуры газов перед турбиной. Если температура газов равна 700—750°C, то к. п. д. не превышает 20—22%, если температуру повысить до 1000—1200°C, то к. п. д. достигнет 36—38%, т. е. экономичность двигателя вплотную приблизится к уровню экономичности современных дизелей.

Как уже отмечалось выше, значение температуры газов перед турбиной определяется жаропрочностью и жаростойкостью материала рабочих лопаток. Это значит, что характеристики материала лопаток лежат в основе выбора расчетной температуры цикла двигателя. Однако выбрать температуру газов перед турбиной еще не значит получить исчерпывающие данные для проектирования двигателя и даже для определения его экономичности. Оказывается, нужно еще правильно выбрать величину давления газа, т. е. степень повышения давления сжатия воздуха в компрессоре. Установлено, что каждому значению температуры газов перед турбиной t_т соответствует определенное, наивыгоднейшее значение давления воздуха после компрессора p_к или, что практически то же, соотношение давлений сжатия π=p_к/p_а (рис. 24); с повышением температуры это давление неизменно возрастает.

Рис. 23. Зависимость к. п. д. ГТД ηдв от температуры газов перед турбиной tт		Рис. 24. Зависимость к. п. д. ГТД ηдв от соотношения давлений сжатия воздуха в компрессоре π при различных значениях tт

Не менее важную роль в экономичности ГТД играют относительные к. п. д. турбомашин — турбины и компрессора.

Действительная мощность, потребляемая компрессором, равна работе сжатия, деленной на к. п. д. компрессора; мощность же, которую выдает на вал турбина, равна работе расширения, умноженной на к. п. д. турбины. Поскольку полезная работа двигателя есть разность работ турбины и компрессора, то нетрудно убедиться, насколько сильно влияют к. п. д. турбомашин, особенно турбины, на эту разность и, следовательно, на экономичность двигателя в целом. Так, изменение относительного к. п. д. турбины на 1% приводит к изменению к. п. д. двигателя на 3—4%.

Можно без преувеличения сказать, что только после того, как были решены сложнейшие научно-технические проблемы создания турбомашин высокой экономичности и получены достаточно жаропрочные сплавы для турбинных лопаток, ГТД получили признание и начали внедряться в авиацию, а затем и в другие отрасли промышленности и транспорта.

Многовальные двигатели

Вопрос о числе валов ГТД неразрывно связан с организацией рабочего процесса двигателей и их развитием как энергетических транспортных установок. С каждым годом металлургия изыскивает все новые и новые жаропрочные сплавы для лопаток газовых турбин, что позволяет непрерывно повышать температуру газов и, следовательно, к. п. д. двигателей. Если 10—15 лет назад для работы с моторесурсом 5—10 тыс. ч можно было принимать температуру газов для неохлаждаемых лопаток 700—750°C, то сейчас реальными являются температуры 850—900°C, а в ряде установок достигнуты и более высокие. Повышение температуры газов является основной тенденцией в развитии и совершенствовании газовых турбин. Но мы знаем, что повышению этой температуры должно обязательно сопутствовать и повышение давления газа (см. рис. 24). Например, для температуры 700°C максимуму к. п. д. простейшего ГТД соответствует давление воздуха за компрессором 7—8 кГ/см², а для 900°C 10—12 кГ/см².

Возможности однокорпусного компрессора с дозвуковыми скоростями течения воздуха в проточной части ограничены. Для того чтобы сжимать воздух до 12—15 кГ/см², нужно либо переходить к сверхзвуковым компрессорам с очень сложной организацией рабочего процесса, как это делают в авиации, либо к двухкомпрессорным схемам. Последний случай наиболее приемлем для наземных транспортных двигателей, работающих при резко переменных нагрузках.

Рис. 25. Схема двухвального двигателя с двумя турбокомпрессорами:

1 — компрессор низкого давления; 2 — компрессор высокого давления; 3 — камера сгорания; 4 — газовая турбина высокого давления; 5 — газовая турбина низкого давления

Вместе с тем переход к двухкомпрессорным схемам не есть простое разделение одного компрессора на два. Для получения лопаток последних ступеней достаточной высоты нужно, чтобы эти ступени имели более высокие обороты сравнительно с первыми. Отсюда непосредственно вытекает необходимость разделения валов компрессора, каждый из которых в качестве привода должен иметь собственную газовую турбину. Возникает двухвальный двигатель (рис. 25), состоящий из двух турбокомпрессоров: низкого и высокого давления. Воздух последовательно сжимается в компрессоре низкого и высокого давления, нагревается в камере сгорания, а затем расширяется в турбинах. Свободная мощность в принципе может сниматься с любого вала турбокомпрессоров.

Для транспортных двигателей, в частности железнодорожных, реализация известных нам благоприятных тяговых характеристик свободной турбины возможна лишь в том случае, когда газовый поток, поступающий к ней, независимо от ее оборотов будет иметь постоянный запас энергии, т. е. турбина будет питаться от независимого источника — генератора сжатого и нагретого газа.

В одновальном ГТД при неподвижной турбине неподвижен и компрессор. Следовательно, в этих условиях совершенно отсутствует сжатый и нагретый воздух и турбина не может развивать ни мощности, ни момента. В тяговом отношении одновальный двигатель имеет даже худшие характеристики, чем дизель. Он не может работать в жесткой связи, например, с колесами локомотива или другого транспортного средства.

Разделим газовую турбину одновального двигателя на две — компрессорную, жестко связанную валом с компрессором, и свободную тяговую турбину, сидящую на отдельном валу (рис. 26). Если при этом компрессорную турбину рассчитать таким образом, чтобы газы в ней расширялись не до атмосферного давления, а лишь частично и ее мощность была бы точно равна мощности, потребляемой компрессором, то турбокомпрессор превратится в генератор газа, не связанный валом с тяговой турбиной. Газы, покидающие компрессорную турбину, будут иметь запас энергии, достаточный для реализации необходимой мощности в проточной части тяговой турбины.

Рис. 26. Схема двухвального двигателя с турбокомпрессором и свободной (тяговой) турбиной:

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — компрессорная турбина; 4 — тяговая турбина

В полученном таким образом двухвальном двигателе тяговая турбина уже может быть жестко связана с потребителем мощности, например с колесами локомотива. Когда локомотив стоит и тяговая турбина неподвижна, турбокомпрессор может развивать обороты вплоть до реализации полной мощности и максимального вращающего момента на венце тяговой турбины, необходимого для трогания состава с места. По мере увеличения числа оборотов тяговой турбины (независимо от числа оборотов турбокомпрессора) тяговое усилие будет снижаться. При полных оборотах турбокомпрессора в диапазоне всех скоростей тяговой турбины образуется внешняя прямолинейная тяговая характеристика двигателя; для частичных мощностей аналогичные прямые будут располагаться практически параллельно внешней характеристике.

Теплотехнические мероприятия

В простейшем одновальном двигателе воздух в процессе сжатия в компрессоре нагревается до 200—250°C. В то же время газы, покидающие турбину, имеют достаточно высокую температуру (400—450°C). Совершенно естественно, что в этих условиях часть тепла газов можно полезно использовать или, как говорят, регенерировать, отдав его воздуху, покидающему компрессор и идущему в камеру сгорания. Для этого нужно между компрессором и камерой поставить теплообменник (рис. 27), в котором теплопередающую поверхность с одной стороны омывали бы газы, а с другой — сжатый воздух.

Рис. 27. Схема одновального ГТД с регенерацией тепла уходящих газов:

1 — компрессор; 2 — регенератор; 3 — камера сгорания; 4 — газовая турбина

Всякий подвод тепла к сжатому воздуху в регенераторе уменьшает необходимый подогрев его в камере до расчетной температуры перед турбиной и, следовательно, приводит к сокращению расхода топлива и повышению к. п. д. двигателя.

Если при разности температур газа и воздуха 200—250°C удается охладить газы и соответственно нагреть воздух в регенераторе на 100—125°C (осуществить регенерирование тепла со степенью регенерации, равной 125:250=0,5), то это снижает расход топлива на 15—20%.

Рис. 28. Процесс сжатия при постоянной температуре 1—2′.

Вместе с тем введение в схему ГТД регенератора, особенно для транспортных машин, далеко не всегда представляется очевидным. Это связано с тем, что при высоких степенях регенерации, необходимых для существенного повышения к. п. д. двигателя, регенератор, с одной стороны, должен иметь большую теплопередающую поверхность, а с другой — быть компактным и не создавать больших гидравлических сопротивлений течению газа и воздуха. Решение этих задач не всегда удается успешно осуществить. За последние годы проведено много исследований в направлении изыскания высокоэффективной поверхности нагрева регенератора. В результате этого современные высокоэкономичные ГТД выполнены с пластинчатыми, вращающимися и другими регенераторами.

Уменьшение работы сжатия, что имеет место при снижении температуры воздуха, может также повысить эффективность ГТД. Наибольший эффект в этом отношении был бы получен, если добиться того, чтобы в течение всего процесса сжатия воздух сохранял неизменную начальную температуру (рис. 28). Но для этого необходимо непрерывно в каждый момент процесса сжатия довольно интенсивно отводить от воздуха тепло, что конструктивно выполнить чрезвычайно сложно. Несколько меньший эффект можно получить введя хотя бы одну ступень промежуточного охлаждения сжимаемого воздуха (рис. 29). Конструктивно это наиболее удобно сделать в двухвальном — двухкомпрессорном двигателе. Тогда воздух после первой ступени сжатия следует направить в теплообменник (рис. 30) и охладить его там либо окружающим атмосферным воздухом (транспортные машины), либо водой (стационарные машины).

Рис. 29. Цикл ГТД с промежуточным охлаждением воздуха:

Q₁ — подведенное к камере сгорания тепло; Q₂ — отведенное тепло; q₂ — тепло, отведенное от воздуха в холодильнике, L_Т — работа турбины; L_К1, L_К2 — работа сжатия воздуха в компрессорах

Рис. 30. Схема двухвального ГТД с охлаждением воздуха между компрессорами:

1 — компрессор низкого давления; 2 — холодильник; 3 — компрессор высокого давления; 4 — камера сгорания; 5 — газовая турбина высокого давления; 6 — газовая турбина низкого давления

Из рис. 29 видно, что сравнительно с обычным сжатием без охлаждения (кривая 1—2) введение ступени охлаждения дает сокращение работы сжатия, эквивалентное площади 1′—1″—2″—2. Это соответственно увеличивает полезную работу двигателя в целом. Вместе с тем, поскольку воздух на выходе из компрессора при промежуточном охлаждении имеет более низкую температуру, то в камеру сгорания необходимо подводить несколько большее количество тепла, т. е. сжигать дополнительное топливо. В связи с этим промежуточное охлаждение воздуха сравнительно мало повышает к. п. д. двигателя. Главным результатом его применения является повышение полезной работы каждого килограмма рабочего тела или, как говорят, удельной работы. Последнее приводит к тому, что ту же мощность двигателя можно получить участием в цикле меньшего количества воздуха. В результате снижаются габариты, вес, стоимость турбомашин и двигателя в целом.

В двигателе, состоящем из двух турбокомпрессоров (см. рис. 25), можно осуществить и еще одно теплотехническое мероприятие — дополнительный подвод тепла в процессе расширения. Для этого нужно между турбинами высокого и низкого давления поставить вторую камеру сгорания (рис. 31). Процесс такого двигателя изображен на рис. 32. Обычно во второй камере газы нагреваются до той же температуры, что и в первой. Следует отметить, что возможность сжигания топлива во второй камере определяется тем, что в подходящем к ней воздухе содержится мало продуктов сгорания топлива, сожженного в первой камере, т. е. кислорода оказывается достаточно для полного сжигания топлива.

Довольно сложной является организация охлаждения жаровой трубы второй камеры, поскольку воздух уже имеет температуру около 400—450°C,

Рис. 31. Схема двухвального ГТД с дополнительным подводом тепла:

1 — компрессор низкого давления; 2 — компрессор высокого давления; 3 — камера сгорания высокого давления; 4 — газовая турбина высокого давления; 5 — камера сгорания низкого давления; 6 — газовая турбина низкого давления

Рис. 32. Цикл ГТД с дополнительным подводом тепла:

q₁ — топливо, подведенное к дополнительной камере низкого давления; L_Т1 и L_Т2 — работы расширения соответственно в турбинах высокого и низкого давления

Дополнительный подогрев рабочего тела заметно повышает к. п. д. двигателя и величину удельной работы. Как видно, увеличение работы расширения в турбине эквивалентно площади 4—3′—3″—4′.

Наибольший эффект дает комплексное применение теплотехнических мероприятий (рис. 33). Интересно, что теплотехнические мероприятия как бы дополняют и помогают друг другу. Так, промежуточное охлаждение воздуха и дополнительный подвод тепла уменьшают необходимое для работы цикла количество рабочего тела и способствуют росту разности температур между холодным воздухом, выходящим из компрессора, и горячими газами, покидающими турбину низкого давления. Все это очень благоприятно сказывается на эффективности регенерации тепла. Теплообменник получается компактным и малогабаритным. С другой стороны, промежуточное охлаждение и подогрев требуют значительного, но трудно осуществимого увеличения общей степени повышения давления в компрессорах. Регенерация же, напротив, уменьшает оптимальную величину этого давления, в результате чего расчетные степени повышения давления оказываются достаточно умеренными. Все это благоприятно сказывается на конструкции и экономичности турбомашин.

Рис. 33. Цикл ГТД с регенерацией, промежуточным охлаждением воздуха и дополнительным подводом тепла;

q_р — тепло, подведенное к воздуху в регенераторе

Рис. 34. Схема трехвального двигателя с тяговой турбиной среднего давления и теплотехническими мероприятиями:

1 — компрессор низкого давления; 2 — холодильник; 3 — компрессор высокого давления; 4 — регенератор; 5 — камера сгорания высокого давления; 6 — газовая турбина высокого давления; 7 — камера сгорания среднего давления: 8 — тяговая газовая турбина среднего давления: 9 — газовая турбина низкого давления

На рис. 34 показана схема трехвального двигателя с регенерацией тепла, промежуточным охлаждением воздуха, дополнительным подводом тепла и со свободной тяговой турбиной среднего давления (тяговая турбина может быть и низкого давления). При кажущейся сложности такой двигатель весьма компактен и может быть с успехом размещен в кузове локомотива. Отмеченное выше повышение удельной работы приводит к таким интересным результатам: если в простейшем одновальном двигателе мощностью 3 000 л. с. необходимо, чтобы в цикле участвовало 21—22 кг/сек воздуха, то в двигателе рассматриваемой сложной схемы мощностью 6 000 л. с., т. е. вдвое большей, расход воздуха равен только 18—19 кг/сек; при одной и той же степени регенерации поверхность регенератора соответственно составляет около 60—70% поверхности в одновальном двигателе. Особенно компактен турбокомпрессор высокого давления. Скорость вращения его 12—15 тыс. об/мин, поэтому диаметр облопачивания не превышает 400—500 мм.

Рис. 35. Коэффициент полезного действия ГТД:

1 — одновального простейшей схемы; 2 — трехвального с теплотехническими мероприятиями и тяговой турбиной среднего давления

Но, пожалуй, самым важным является то, что рассматриваемый трехвальный двигатель решает одну из самых сложных и важных проблем применения газотурбинных двигателей на локомотивах — проблему экономичности двигателя на переменном режиме работы. Одновальный ГТД имеет совершенно неудовлетворительные показатели в этом отношении — его к. п. д. на частичных нагрузках резко падает (рис. 35 кривая 1), что приводит к низкому эксплуатационному к. п. д. локомотива.

Трехвальный двигатель с теплотехническими мероприятиями позволяет не только получить более высокий к. п. д. на расчетной мощности, но и удерживать его до 50—60% нагрузки, имея максимум к. п. д. примерно в диапазоне 80—90% номинальной мощности (рис. 35, кривая 2); соответственно улучшаются и характеристики холостого хода двигателя. Вот почему трехвальный ГТД с теплотехническими мероприятиями и тяговой турбиной среднего давления особенно перспективен для газотурбинных локомотивов ближайшего будущего.

Охлаждение лопаток турбины

Многочисленные способы охлаждения лопаток газовой турбины можно разделить на две группы: внешнее поверхностное и внутреннее охлаждение. К внешнему относят струйное охлаждение, когда по поверхности лопаток разбрызгивается жидкость, которая, испаряясь, отнимает тепло от лопатки и тем самым понижает ее температуру, и охлаждение выпотеванием, когда жидкость на поверхность поступает изнутри лопатки через поры в материале.

Способы внутреннего охлаждения разделяют на жидкостные, жидкостно-воздушные и чисто-воздушные. Однако общим во всех этих способах является то, что отъем тепла от лопатки осуществляется теплоносителем, движущимся в каналах, расположенных непосредственно в теле лопатки.

Одноконтурное жидкостное охлаждение предполагает непрерывное поступление жидкости во внутренние каналы лопатки, причем движение ее может осуществляться как принудительно с помощью циркуляционного насоса, так и за счет свободной конвекции. В двухконтурном жидкостном или жидкостно-воздушном охлаждении каждая лопатка имеет внутренний замкнутый контур каналов и развитый холодильник-радиатор, в котором либо жидкостью, либо воздухом производится отъем тепла у жидкости первого контура.

Рис. 36. Воздушное охлаждение лопаток

В транспортных двигателях наибольшее распространение получило чисто-воздушное охлаждение лопаток, поскольку необходимый в качестве теплоносителя сжатый воздух достаточно просто может быть взят из какой-либо промежуточной ступени компрессора. Сжатый, но сравнительно холодный (130—150°C) воздух поступает в полую лопатку с дефлектором (рис. 36, а), проходит по зазору между стенкой лопатки и дефлектором, а затем выбрасывается в основной газовый поток через щель в выходной кромке лопатки или через торец в радиальный периферийный зазор (рис. 36, б). Воздушное охлаждение такой схемы имеет определенные границы рентабельности, ибо, начиная с некоторого уровня температур, потери мощности с охлаждающим воздухом превышают экономический эффект от повышения температуры цикла.

Применение охлаждаемых лопаток в авиационных и некоторых наземных конструкциях позволяет работать с температурой газа 1100—1200°C и достигать в схемах газотурбинных двигателей без теплотехнических мероприятий к. п. д. на уровне 28—32%.

Регулирование пропускной способности турбомашин

Известно, что количественное регулирование мощности в тепловых двигателях, т. е. регулирование изменением расхода рабочего тела при неизменных его термодинамических параметрах (температура и давление), является самым выгодным с экономической точки зрения. В газотурбинных двигателях с обычными конструкциями турбомашин такое регулирование невозможно. Этим прежде всего объясняются неудовлетворительные характеристики простейших газотурбинных двигателей на режимах частичных мощностей. Основной причиной является то обстоятельство, что сечение проточной части турбомашин при всех режимах работы двигателя остается неизменным. При уменьшении расхода газа через турбину ее сопротивление движущемуся потоку резко падает и, следовательно, происходит одновременное уменьшение давления в начале расширения газа в турбине, т. е. уменьшение располагаемого теплоперепада. Турбина представляет собой внешнюю сеть — внешнее сопротивление для сидящего с ней на одном валу осевого или центробежного компрессора. Поэтому рассмотренные выше процессы сопровождаются одновременным снижением производительности и напора компрессора. Весь этот комплекс процессов приводит к тому, что получение долевых, частичных мощностей в газотурбинном двигателе достигается комбинированным — количественным и качественным регулированием — снижением расхода, давления и температуры рабочего тела. К. п. д. двигателя при этом резко падает.

В осевых компрессорах постоянство межлопаточных каналов сужает область экономичных и устойчивых режимов работы. При изменении чисел оборотов, расхода и давления воздуха очень сильно меняется и относительный к. п. д. компрессора (см. рис. 16); граница срывной зоны — помпажа проходит очень близко к рабочим режимам, что ограничивает возможности экономичного регулирования совместной работы турбины и компрессора.

Из сказанного следует, что проблема регулирования пропускной способности турбомашин является чрезвычайно важной и актуальной при решении вопроса создания транспортных газотурбинных двигателей, работающих устойчиво и экономично в широком диапазоне эксплуатационных нагрузок. На первый взгляд, наиболее простым путем изменения сечения проточной части турбины или компрессора является применение какой-либо заслонки-диафрагмы, закрывающей при необходимости часть сопловых или рабочих каналов. Подобный метод аналогичен известному методу парциального подвода пара в регулирующих ступенях паровых турбин. Однако такие конструкции не получают распространения в газовых турбинах, так как в реактивных газовых ступенях перепад давлений при парциальности неизбежно приведет к дополнительным потерям.

Рис. 37. Конструкция поворотной сопловой лопатки:

1 — лопатка; 2 — корпус; 3 — ось поворота; 4 — привод

Изменить сечения межлопаточных каналов можно поворотом лопатки относительно оси, совпадающей с радиальным направлением. Однако конструктивно это достаточно просто решается лишь для неподвижных сопловых лопаток. Один из возможных вариантов конструкции поворотных сопловых лопаток показан на рис. 37.

Поворотные лопатки особенно надежно работают в осевых компрессорах, поэтому они получили широкое распространение в этих машинах особенно на первых 2—3 ступенях, что облегчает запуск машины, отодвигая рабочие режимы от помпажной зоны. В газовых турбинах работа подобных устройств осложняется температурными деформациями, отложением несгоревших частиц топлива. Поэтому поворотные турбинные лопатки получили пока что ограниченное распространение.

Необходимо отметить, что поворот сопловых лопаток благоприятно сказывается на тяговых свойствах свободной газовой турбины при изменении ее оборотов: стабилизируется к. п. д. и прогибается моментная характеристика. Если применить одновременно и сопловое регулирование тяговой турбины, и регулирование параметров газа (турбокомпрессором), то в рабочем диапазоне скоростей локомотива (см. рис. 13) можно получить тяговую характеристику двигателя, вплотную приближающуюся к гиперболической.

Турбореактивные двигатели

К пониманию рабочего процесса турбореактивного двигателя мы очень близко подошли, когда рассматривали переход от одновального к двухвальному ГТД.

Рис. 38. Схема турбореактивного двигателя:

1 — турбина; 2 — реактивное сопло; 3 — компрессор

Отличие турбореактивного двигателя от двухвального в принципе лишь в том, что у него роль тяговой турбины выполняет реактивное сопло (рис. 38). Покидающий турбину газ, имеющий еще высокую температуру и давление (см. графики под рисунком), поступает в реактивное сопло, в котором происходит дальнейшее расширение его (давление понижается практически до атмосферного) и увеличение скорости до v_p, с которой газ и вытекает из реактивного сопла.

Так как в камере сгорания к воздуху подводится тепло сгоревшего топлива, то скорость истечения v_p из двигателя больше, чем скорость v воздуха, поступающего в компрессор. Вследствие увеличения скорости воздуха при протекании его через двигатель (кинетической энергией топлива можно пренебречь) возникает реактивное действие отбрасываемой массы воздуха и создается реактивная сила, движущая самолет, автомобиль, локомотив и т. д.

Как будет показано ниже (см. главу VII), использование турбореактивных двигателей целесообразно при высоких скоростях движения транспортной машины. Здесь лишь отметим, что высокие значения входной скорости v воздуха благоприятно сказываются на рабочем процессе двигателя, так как торможение этой скорости при входе в компрессор создает эффект динамического сжатия (повышения давления на условном пунктирном участке перед двигателем, рис. 38), увеличивает общую степень повышения давления воздуха в компрессоре и, следовательно, экономичность двигателя.

В реактивных двигателях наблюдается известная нам зависимость к. п. д. от соотношения давлений сжатия воздуха в компрессоре и температуры газов перед турбиной. Однако для этих двигателей, помимо к. п. д., важнейшей характеристикой является удельная тяга двигателя, под которой понимается сила тяги, приходящаяся на 1 кг проходящего через двигатель воздуха. Величина удельной тяги показывает использование энергии воздуха в двигателе и определяется разностью скоростей: скорости истечения газов из сопла v_p и скорости воздуха, входящего в двигатель v (т. е. v_p−v). В силу этого удельная тяга, так же как и к. п. д., зависит от соотношений давлений сжатия в компрессоре и температуры газов: с увеличением температуры газов удельная тяга увеличивается; при заданной температуре существует оптимальное значение соотношения давлений, при котором тяга имеет максимальное значение. Одним из путей регулирования тяги является изменение сечения реактивного сопла.

Глава III

Газовая турбина в комбинированных транспортных установках

Газотурбинный наддув в тепловозных дизелях

Тепловозный дизель, как правило, имеет одну или даже две газовые турбины.

К. п. д. современного дизеля высок только благодаря тому, что максимальная температура цикла в момент сгорания топлива достигает 1600—1800°C. Дизель не боится такой температуры, так как цилиндр его достаточно эффективно охлаждается водой и, кроме того, процесс сгорания не является непрерывным — он чередуется с процессами расширения, выпуска, наполнения, сжатия.

Вместе с тем, как и всякая поршневая машина, дизель имеет органические недостатки. В связи с конечной величиной хода поршня оказывается невозможным полное расширение рабочей смеси в двигателе до атмосферного или даже близкого к нему давления. Необходимо выбрасывать газы из двигателя еще с достаточно высоким давлением, осуществляя, таким образом, неполное их расширение в двигателе. Потери энергии от неполного расширения достаточно велики и достигают 25—30%.

В противоположность дизелю газовая турбина «не любит» высоких давлений и температур газа, но зато хорошо работает в областях больших объемов газа и осуществляет практически полное расширение рабочего тела. Так, если газы из турбины выбрасываются в атмосферу, то давление газов в конце расширения, т. е. на выходе из рабочего колеса последней ступени, превышает атмосферное только на величину сопротивления выходного патрубка.

Рис. 39. Схема газотурбинного наддува дизеля:

1 — дизель; 2 — газовая турбина; 3 — компрессор

Нетрудно видеть, что дизель и газовая турбина как бы дополняют друг друга. Проще всего было бы последовательно соединить дизель и газовую турбину, с тем чтобы выпускные газы дизеля претерпевали дальнейшее расширение в проточной части турбины. Однако такое соединение сложно из-за суммирования мощностей валов, имеющих различные обороты.

Получила распространение другая система, когда газовая турбина отдает свою мощность не потребителю, а воздушному компрессору, который сжимает воздух и нагнетает его в цилиндр двигателя в период впуска свежей порции воздуха (рис. 39). В результате этого растет весовое количество воздуха на цикл работы, появляется возможность сжечь в цилиндре дополнительное количество топлива и, следовательно, повысить мощность двигателя. Рассмотренный процесс называется наддувом дизеля.

Величина наддува, т. е. давление сжатого в компрессоре воздуха, в современных дизелях обычно не выходит за пределы 2—3 кГ/см², но и это повышает мощность дизелей на 50—60% при увеличении веса установки в целом менее чем на 5%; удельный расход топлива (на единицу мощности) при этом снижается на 3—5%.

Газовая турбина работает за счет энергии выпускных газов. Известно, что чем выше давление сжатия воздуха в компрессоре, тем выше и его температура. Это значит, что увеличение весового воздушного заряда цилиндра идет не пропорционально росту давления наддува, а существенно меньше.

Рис. 40. Схема наддува и охлаждения наддувочного воздуха четырехтактного дизеля:

1 — дизель; 2 — газовая турбина; 3 — компрессор; 4 — холодильник наддувочного воздуха; 5 — холодильник воды; 6 — водяной насос; 7 — вентилятор охлаждения

Рис. 41. Схема двухступенчатого наддува и охлаждения наддувочного воздуха двухтактного дизеля:

1 — дизель: 2 — газовые турбины; 3 — компрессор низкого давления; 4 — компрессор высокого давления; 5 — холодильник наддувочного воздуха; 6 — холодильник воды; 7 — водяной насос; 8 — вентилятор охлаждения

Стремление к максимальному повышению цилиндровой мощности транспортных тепловозных дизелей привело в последние годы к существенному усложнению системы наддува. Применяется комбинированный привод компрессоров от газовой турбины и непосредственно от вала дизеля, двухступенчатое сжатие воздуха, охлаждение наддувочного воздуха перед подачей его в цилиндры дизеля (рис. 40 и 41; штрих-пунктиром показаны механические связи с дизелем). Наиболее рационально в конструктивном отношении оказывается не непосредственное охлаждение наддувочного воздуха атмосферным, а введение промежуточного замкнутого водяного контура.

Нетрудно видеть, что повышение мощности современных транспортных дизелей достигается ценой серьезного усложнения схемы и конструкции силовой установки: дизель буквально окружил себя турбинами, компрессорами, теплообменниками, насосами, вентиляторами.

Теплогазотурбовоз

Высокий и стабильный к. п. д. в широком диапазоне мощностей и вместе с тем ограниченные возможности повышения агрегатной мощности дизеля, с одной стороны, невысокий к. п. д., но высокие мощностные характеристики у газовой турбины — с другой, приводят к мысли о целесообразности их объединения в одну силовую установку. В этом случае мощность дизеля может быть на уровне предполагаемых преимущественных мощностей (60—70% максимальной), и тогда дизелю отдастся вся область малых и средних нагрузок; газовая турбина меньшей, чем дизель, мощности (30—40%) работает только в области максимальных загрузок локомотива.

Фирмой Клекнер—Гумбольдт—Дойц совместно с исследовательским центром государственных железных дорог ФРГ в 1968 г. был построен опытный образец теплогазотурбовоза (дизель-газотурбинного локомотива). Теплогазотурбовоз предназначен для обслуживания пассажирских и среднего веса грузовых поездов на дорогах с участками горного профиля, т. е. требующих продолжительной реализации высоких мощностей.

Силовая установка теплогазотурбовоза состоит из дизеля, мощностью 2 150 л. с. и ГТД мощностью 900 л. с. Дизель быстроходный, 16‑цилиндровый, четырехтактный с V-образным расположением цилиндров, газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха. ГТД фирмы Дженерал Электрик США — двухвальный, с номинальным числом оборотов 19 500, с шумоглушительными устройствами на всасывании воздуха и на выпуске. Оба двигателя работают на одном дизельном топливе.

Рис. 42. Схема силовых установок теплогазотурбовоза:

1 — дизель; 2 — гидропередача; 3 — ГТД; 4 — генератор отопления; 5 — гидромуфта

В связи с необходимостью одновременной работы и дизеля, и газовой турбины применена гидравлическая передача (рис. 42). Дизель через карданный вал и газовая турбина через редуктор приводят в действие не связанные между собой насосные колеса, которые в свою очередь воздействуют на колеса гидравлических турбин, насаженных на общий вал. С помощью редуктора, кардана и гидравлической муфты сцепления часть мощности (360 квт) передается синхронному электрическому генератору переменного тока для питания поездного отопления.

Муфта позволяет отключать этот генератор от первичной системы при пуске установки и поездной работе с выключенным отоплением поезда.

ГТД работает только в режимах разгона поезда для сообщения необходимых ускорений и в режимах максимальных мощностей, требуемых на тяжелых участках профиля. Турбина преимущественно используется на номинальной мощности, т. е. в области максимального к. п. д., что благоприятно сказывается на общих эксплуатационных показателях.

Время использования турбины составляет 30—40% времени работы дизеля.

Успешная эксплуатация первого образца теплогазотурбовоза привела к решению о постройке партии таких локомотивов. Мощность дизеля будет увеличена до 2 500 л. с., а газотурбинного двигателя — до 1 200 л. с.

Газовая турбина со свободнопоршневым генератором газа

Идея совместной работы дизеля и газовой турбины как агрегата наддува в последние годы получила дальнейшее развитие в виде комбинированных газотурбинных установок с так называемыми свободнопоршневыми генераторами газа.

Мы уже говорили о том, что с повышением давления наддува растет мощность, потребляемая наддувочным компрессором, и соответственно мощность газовой турбины. Оказывается, что, начиная с некоторого давления (2—3 кГ/см²), рост мощности турбины опережает прирост мощности дизеля от наддува. Расчеты показывают, что если наддув довести до 5—6 кГ/см², то мощность компрессора и турбины будет близка к мощности собственно дизеля. Но тогда турбину и дизель можно поменять ролями: дизель заставить работать на компрессор, а полезную мощность снимать с турбины.

Естественно, что в случае привода от турбины применяют центробежный компрессор; с переходом же на привод от сравнительно тихоходного дизеля компрессор наиболее целесообразно выполнять поршневым.

Первым этапом развития такой схемы являются несколько модификаций комбинированных газотурбинных установок, созданных в 1955—1959 гг. шведскими фирмами Гетаверкен и Мотала-Феркштад, на базе которых были затем построены опытные образцы локомотивов.

Рис. 43. Схема ГТД со свободнопоршневым генератором газа:

1 — продувочные окна: 2 — поршневой компрессор; 3 — поршень генератора; 4 — всасывающий клапан; 5 — нагнетательный клапан; 6 — цилиндр дизеля; 7 — форсунка; 8 — пусковой клапан; 9 — ресивер; 10 — турбина

В наиболее законченном виде рассматриваемая идея комбинированной установки представляется в схеме со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ). Действительно, если дизель, связанный с поршневым компрессором, не имеет свободной мощности, а лишь генерирует газ для турбины, то нет необходимости в коленчатом валу, шатуне и т. д.; дизель-компрессор может быть превращен в безвальный свободнопоршневой агрегат.

Комбинированная газотурбинная установка состоит из трех основных агрегатов (рис. 43): СПГГ, газовой турбины и промежуточного газосборника-ресивера.

В центре генератора расположен цилиндр 6 двухтактного дизеля с прямоточной продувкой; продувочные окна 1 размещены симметрично относительно центра дизельной втулки, где расположена форсунка жидкого топлива 7. С обеих сторон дизельная втулка непосредственно соединена с цилиндрами поршневого компрессора 2, снабженными всасывающими 4, нагнетательными 5 и пусковыми 8 клапанами. Один ряд продувочных окон через полость, окружающую цилиндр дизеля, сообщается с нагнетательными клапанами компрессора, а другой ряд — с трубопроводом, идущим к ресиверу и далее к газовой турбине. Поршни генератора 3 выполнены двухступенчатыми: дизельные меньшего диаметра и компрессорные — большего.

Пуск генератора осуществляется сжатым воздухом из какого-либо внешнего источника (баллон, резервуар и т. д.). Сжатый воздух через пусковые клапаны поступает во внешние полости компрессорных цилиндров, сдвигает поршни к центру двигателя, сжимая воздух вначале во внутренних компрессорных полостях, а затем, когда дизельные поршни перекроют продувочные окна, и в цилиндре двигателя. В конце хода сжатый в компрессорах воздух через нагнетательные клапаны 5 наполняет объем, окружающий цилиндр дизеля; внутри дизельной втулки продолжается сжатие, т. е. повышение давления и температуры воздуха, В момент, когда температура этого воздуха превысит температуру самовоспламенения топлива, через форсунку впрыскивается топливо, которое воспламеняется и сгорает; давление резко возрастает, и начинается рабочий ход. Смесь воздуха и продуктов сгорания топлива расширяется и заставляет поршни расходиться в разные стороны. Во внутренних компрессорных полостях создается разрежение, открываются всасывающие клапаны и туда поступает атмосферный воздух. Во внешних компрессорных полостях происходит сжатие пускового воздуха, т. е. создаются воздушные буфера. Когда дизельные поршни откроют продувочные окна, то в цилиндр дизеля устремляется находящийся вокруг него сжатый воздух, смешивается с отработавшей рабочей смесью, продувает цилиндр и удаляется через другие продувочные окна в ресивер и далее на лопатки газовой турбины. Поршни останавливаются давлением сжатого воздуха. Этот же воздух как пусковой заставляет поршни начать обратное движение, т. е. возобновить рабочий цикл генератора газа.

Для нормальной работы СПГГ необходимо, чтобы движение поршней было бы абсолютно синхронным. Это осуществляется специальным синхронизирующим механизмом. Обычно в компрессорах СПГГ воздух сжимается до 4—6 кГ/см²; температура продувочной смеси, покидающей генератор, 400—500°C. Именно эти параметры и определяют рабочий процесс газовой турбины.

По экономичности, весовым и габаритным показателям газотурбинные установки с СПГГ находятся примерно на уровне дизельных с газотурбинным наддувом. Несомненным достоинством их применительно к транспортным целям является возможность использования благоприятных тяговых свойств свободной газовой турбины. В связи с отсутствием масляного картера и кривошипно-шатунной группы СПГГ могут использовать значительно более дешевые сорта топлива, нежели высокофорсированные тепловозные дизели.

За рубежом ведущую роль в производстве СПГГ сыграла французская фирма Сигма. В СССР проектирование и производство генераторов средней мощности сосредоточены на Ворошиловградском тепловозостроительном заводе им. Октябрьской революции. На первом этапе работ завод создал генераторы (ОР-95), близкие по параметрам и конструкции к французским. Далее, на основе разработок ЦНИИ МПС и завода была создана новая модель СПГГ (Г-9), имеющая лучшие мощностные и энергетические показатели.

Основные характеристики отечественных и зарубежных комбинированных газотурбинных установок приведены в табл. 1.

Первый газотурбовоз с СПГГ был построен заводами Рено в 1952 г. Силовая установка мощностью 1000 л. с. состояла из одного свободнопоршневого генератора фирмы Сигма и газовой турбины. Передача мощности от турбины к колесам осуществлялась механическим путем — через коробки скоростей, карданные валы и осевые редукторы. В связи с высоким к. п. д. механической передачи (0,9—0,95) общий к. п. д. газотурбовоза оказался даже несколько выше, чем у тепловозов (32—33%).

В 1960 г. заводами Рено был построен еще один газотурбовоз с СПГГ, но с двумя такими же силовыми установками, имеющими независимый привод к тележкам. Газотурбовозы длительное время успешно работали на французских железных дорогах.

Ворошиловградский тепловозостроительный завод с 1955 г. начал работать над проблемой СПГГ и локомотива в целом. После создания и отработки СПГГ мощностью 850 л. с. (по газу) завод на базе этих машин и турбины, изготовленной Брянским машиностроительным заводом, спроектировал и построил газотурбовоз (рис. 44).

Рис. 44. Общий вид газотурбовоза Ворошиловградского тепловозостроительного завода

Силовая установка состояла из четырех генераторов газа и одной 5‑ступенчатой реактивной газовой турбины; мощность с вала турбины передавалась с помощью гидромеханической передачи к двум трехосным тележкам. Наличие гидравлических преобразователей в передаче обусловливалось тем, что при проектировании турбины не предполагалась возможность ее работы с «жесткой» передачей. Ворошиловградский газотурбовоз, к сожалению, прошел только наладочные поездные испытания. Наименее надежным элементом силовой установки оказалась сложная гидромеханическая передача. Завод продолжает работать над созданием свободнопоршневых машин.

Газовая турбина как бустерный двигатель

Под бустером принято понимать дополнительную силовую установку на локомотиве, используемую для увеличения силы тяги без повышения нагрузки на сцепные оси. Это значит, что бустер, строго говоря, может применяться только тогда, когда имеются необмоторенные, несцепные оси. Бустерные паровые машины получили некоторое распространение на паровозах и устанавливались либо на задней тележке, либо на одной из тележек тендера. Известны бустеры электрические, представляющие собой небольшие генераторы постоянного тока, включаемые в электрическую цепь дополнительно к основному генератору. Электрический бустер усиливает напряжение основного источника тока, регулирует напряжение заряда аккумуляторной батареи и т. д. Бустеры-трансформаторы применяются для регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой.

ГТД, обладающий хорошими тяговыми качествами, малым весом и габаритами, представляет несомненный интерес как бустерная машина. Однако на современных тепловозах, у которых дизель связан нагрузкой со всеми осями экипажа, отсутствие бустерных машин, видимо, является вполне закономерным. Применение бустерных газовых турбин на тепловозах может оказаться целесообразным на многоосных или сочлененных конструкциях в условиях значительного повышения мощности тяговых электродвигателей и соответственно увеличения нагрузки и мощности ведущих осей. Принципиально возможным является создание для восточных новостроек с длинными безэкипировочными тяговыми участками специальных автономных локомотивов, имеющих прицепные топливные тендеры или вспомогательные секции с газотурбинным бустером.

В последние годы с ростом скоростей движения поездов понятие бустера несколько расширилось — ему также отдают роль вспомогательного двигателя, увеличивающего ускорение при разгоне поезда и снимающего пиковые нагрузки. Не случайно в некоторых источниках ГТД теплогазотурбовоза ФРГ называют бустером. В такой постановке задачи газовая турбина несомненно имеет большое будущее в автономных скоростных поездах пригородного, областного и дальнего пассажирских сообщений.

Глава IV

Газотурбовозы

Силовые установки газотурбовозов

Газотурбовозом называют автономный локомотив, у которого основным двигателем, определяющим его мощностные, тяговые и энергетические показатели, является ГТД.

Как и всякий локомотив, газотурбовоз состоит из кузова с рамой, экипажной части, силовой установки и вспомогательных устройств.

Кузов газотурбовоза в принципиальном отношении ничем не отличается от тепловозного. В зависимости от назначения локомотива и возможностей размещения оборудования он может быть однокабинным и двухкабинным. Некоторой особенностью кузовов газотурбовозов можно считать весьма развитые поверхности, занимаемые всасывающей системой компрессора и выпускной системой турбины. Это связано с очень большими объемами воздуха и газов, участвующих в работе ГТД. Выпуск газов, как правило, производится через отверстие в крыше кузова. Чтобы предотвратить засасывание в компрессоры пыли, песка, снега и т. д., воздушные жалюзи стараются расположить как можно дальше от железнодорожного полотна, однако установка их на крыше, как показал опыт эксплуатации коломенского газотурбовоза, в ряде случаев приводит к весьма нежелательному всасыванию в компрессор части выпускных газов. Это влечет за собой помпаж компрессора и, как следствие, снижение мощности и экономичности установки.

Как известно, ГТД при работе создает значительный шум (при проходе воздуха в компрессор и при выпуске газов из турбины) преимущественно высоких частот. Поэтому кабины машиниста и помощника, особенно перегородки, отделяющие их от машинного отделения, тщательно звукоизолируются.

В кабине машиниста, как обычно, размещаются главный пульт управления силовой установкой и вспомогательным оборудованием локомотива, тормозная аппаратура и другие приборы, необходимые для управления локомотивом.

Экипажная часть выполняется в виде отдельных тележек, причем число осей зависит от мощности силовой установки и допустимой осевой нагрузки. Конструкция тележек определяется родом службы локомотива и видом передачи мощности движущим осям.

Под силовой установкой локомотива понимается весь комплекс агрегатов и машин, участвующих в преобразовании энергии топлива в механическую работу и передаче этой работы движущим колесам. Естественно, что основными элементами силовой установки газотурбовоза являются: газотурбинный двигатель — от компрессора до выходного вала турбины включительно и передача — совокупность устройств, передающих мощность от вала турбины колесам локомотива.

К вспомогательному оборудованию газотурбовозов относятся: система регулирования и смазки газотурбинного двигателя с масляными баками, насосами и т. д., топливная система (баки основного и дизельного топлива, устройства для подогрева, фильтрации), пусковой дизель с генератором, аккумуляторная батарея, водяной отопительной котел, высоковольтная камера электропередачи, тормозная система и др.

Создание первых газотурбинных локомотивов относится к ранним послевоенным годам, т. е. к начальной стадии развития газотурбостроения вообще. Поэтому естественно, что почти на всех газотурбовозах использован простейший одновальный ГТД.

Мы уже знаем о решающем влиянии на к. п. д. ГТД температуры газов и относительных к. п. д. турбомашин. Соображения долговечности и надежности обусловили весьма умеренные термодинамические параметры первых одновальных машин: температура газа 700—750°C, степень повышения давления в компрессорах — 5—7. При этом реактивные турбины имели от 2 до 6 ступеней, компрессоры (осевые) — 10—15. Тип двигателя определил и тип передачи. Одновальный двигатель нельзя непосредственно соединять с движущими осями не только потому, что его обороты обычно более чем в 10 раз превышают максимальные числа оборотов колеса грузового локомотива. Главное, о чем говорилось выше, состоит в том, что одновальный двигатель при неподвижном роторе или малых его оборотах не развивает ни мощности, ни тяги. Значит, такому двигателю нужна передача, которая бы:

1) трансформировала малый вращающий момент на валу двигателя (при больших оборотах ротора компрессора и турбины) в высокий вращающий момент (силу тяги) на ободе медленно поворачивающихся колес локомотива;

2) обеспечивала гиперболическую или близкую к ней внешнюю характеристику локомотива;

3) осуществляла задний ход локомотива при неизменном направлении вращения вала двигателя;

4) обеспечивала возможность запуска двигателя от внешнего энергетического источника.

Таким требованиям в то время удовлетворяла лишь электрическая передача постоянного тока тепловозного типа. Вот почему силовые установки большинства построенных газотурбовозов представляют собой комбинацию одновального газотурбинного двигателя и электрической передачи постоянного тока (рис. 45).

Рис. 45. Схема силовой установки газотурбовоза с простейшим одновальным ГТД и электрической передачей постоянного тока:

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — газовая турбина; 4 — понижающий редуктор; 5 — генератор постоянного тока: 6 — тяговые электродвигатели

Электрическая передача газотурбовозов состоит из нескольких (2—3) генераторов, питающих постоянным током (напряжение 450—500 в, сила тока 3 500—4 000 а) тяговые электродвигатели, установленные на движущих осях. Обычно в один блок с главными генераторами монтируется вспомогательный генератор и возбудитель. Число оборотов вала современного тепловозного генератора постоянного тока даже в специальных конструкциях не превышает 1 600—1 800 об/мин, в то время как обороты выходного вала турбины составляют 6 000—10 000 об/мин. Это значит, что между газотурбинным двигателем и электрическими генераторами обязательно должен устанавливаться понижающий редуктор.

В качестве полезной мощности, входящей в выражение к. п. д. ГТД, имеется в виду мощность на валу турбины. Когда же речь идет о к. п. д. силовой установки, то необходимо учитывать энергетические потери в передаче, т. е. рассматривать мощность на ободе движущих колес. Иными словами, к. п. д. силовой установки равен произведению к. п. д. двигателя на к. п. д. передачи. При оценке экономичности локомотива в целом, строго говоря, нужно еще учитывать расходы энергии на различные служебные нужды.

Электрическая передача постоянного тока имеет невысокий к. п. д.: с учетом редуктора он равен 0,82—0,85, т. е. свыше 15% мощности двигателя теряется в электрических машинах в процессе двойного преобразования энергии (механической в электрическую и обратно).

Как и всякий тепловой двигатель, газотурбинный требует для своего пуска постороннего источника энергии. Одновальный двигатель особенно требователен в этом отношении. Двигатель нужно раскручивать до 2 000—3 000 об/мин, когда количество и давление сжатого в компрессоре воздуха достигнут такого уровня, при котором после сжигания топлива в камере мощность турбины будет равна мощности компрессора и двигатель сможет работать в режиме холостого хода. Роль пускового двигателя играет вспомогательный дизель-генератор, в свою очередь пускаемый от стартерной аккумуляторной батареи.

При электрической передаче постоянного тока пусковой дизель-генератор питает током один из главных генераторов, который, работая в это время в режиме двигателя, раскручивает турбину и компрессор.

Одновальный ГТД, как мы уже знаем, резко снижает свою экономичность на частичных нагрузках, в результате чего и расход топлива на холостом ходу чрезвычайно велик — 25—30% расхода на полной мощности двигателя. Отсюда ясно, что важнейшей задачей является максимальное сокращение времени холостого хода таких двигателей в условиях эксплуатации. В связи с этим вспомогательный дизель газотурбовозов имеет мощность 150—200 л. с. и, помимо пуска установки, берет на себя одиночное следование локомотива (маневры, резервный пробег и т. д.). В таких режимах ток от генератора дизеля поступает к части (2—3) тяговых электродвигателей.

Обороты холостого хода, хотя и составляют 50—55% максимальных, все же являются минимальными оборотами ГТД. Для того чтобы стронуть с места состав, нужно, чтобы двигатель развил почти полную мощность. Необходимо повысить давление и температуру рабочего тела (соответственно повысится и число оборотов), увеличить возбуждение генератора. При следовании газотурбовоза с поездом по участку переменного профиля изменяется внешнее сопротивление движению, т. е. нагрузка на двигатель. Работа ГТД, особенно одновального, по соображениям наибольшей экономичности предпочтительнее всего на режимах полной мощности. Однако несоответствие между мощностью силовой установки и внешней нагрузкой неизбежно приводит к изменению скорости движения, что не всегда является желательным. Во время эксплуатации часты случаи, когда необходимо мгновенно сбрасывать или достаточно быстро принимать нагрузку. Таким образом, совершенно ясно, что двигатель должен с достаточной быстротой и в широком диапазоне изменять свою мощность, причем регулирование должно быть наиболее экономичным.

ГТД должен иметь также защиту от недопустимых перегрузок его важнейших элементов. Это прежде всего относится к необходимости ограничения температуры газов перед турбиной и скорости вращения ротора, предупреждению резкого снижения давления масла в системе смазки подшипников вала, помпажа компрессора, вибраций системы и т. д. Систематическое превышение расчетной температуры газов и окружной скорости вращения может привести к преждевременному разрушению лопаток турбины и аварии двигателя.

Отмеченные выше требования к организации работы локомотивного ГТД выполняет система регулирования и управления. Как правило, система регулирования на газотурбовозах выполняется гидравлической, объединенной с системой смазки; специальными сервомоторами она стыкуется с электрической схемой изменения сопротивления в цепи возбуждения генераторов.

Следует отметить, что в этом отношении локомотивные двигатели отличаются от авиационных, где система регулирования объединена с топливной и работает на авиационном керосине.

Общую схему регулирования ГТД разделяют на четыре основные системы: 1 — регулирование скорости вращения вала; 2 — изменение режима работы и мощности двигателя; 3 — защита двигателя от чрезмерного повышения температуры газов перед турбиной и от разноса; 4 — поддержание необходимого давления и расхода смазки.

Соответственно этому системы должны иметь автоматические регуляторы скорости вращения (обычно центробежный регулятор), расхода топлива, температуры газов.

Следует отметить, что измерение температуры газов перед турбиной крайне затруднительно. Поэтому контроль и корректировку ведут по показаниям термопар, установленных в нескольких точках за последним рабочим колесом турбины.

К числу устройств, обеспечивающих устойчивую и безопасную работу двигателя, относят: автомат приемистости, противопомпажное устройство, автомат ограничения срыва пламени в камерах сгорания и ряд других. В локомотивных ГТД, так же как и в тепловозных дизелях, для облегчения управления и выбора рационального режима работы, система управления имеет единую рукоятку — контроллер. В процессе ведения поезда машинист поворотом контроллера на пульте управления воздействует одновременно и на подачу топлива в двигатель, и на величину возбуждения генераторов.

Выше было установлено, из каких сомножителей состоит к. п. д. газотурбовоза. Если одновальный двигатель имеет расчетную максимальную температуру газа 700—750°C, то его к. п. д. на номинальном режиме η = 0,2÷0,22. Значит, с учетом потерь в электрической передаче и служебных расходов максимальный к. п. д. газотурбовоза составит 15—17%. В эксплуатационных условиях эта цифра должна быть еще ниже из-за существенной доли частичных нагрузок и холостого хода двигателя. По характеру рабочего процесса в зимних условиях ГТД должен развивать значительно бо́льшую мощность, нежели летом. Однако реализация этих преимуществ возможна лишь в том случае, если соответствующие резервы предусмотрены в электрической передаче и система регулирования допускает корректировку параметров процесса двигателя по температуре окружающей среды.

Мы рассмотрели принципиальную схему, особенности работы, регулирования, показатели силовой установки, состоящей из простейшего одновального ГТД и электрической передачи постоянного тока. Теперь познакомимся с более совершенными и прогрессивными схемами. Уже только переход от одновального двигателя к двухвальному коренным образом изменяет возможности и характеристики силовой установки. Выделение свободной тяговой турбины сразу же исключает необходимость в «непрозрачной», трансформирующей момент передаче, какой является передача постоянного тока. Благоприятная тяговая характеристика турбины может быть передана колесам без какого-либо преобразования.

Рис. 46. Выбор параметров тяговой турбины

Однако было бы неправильно думать, что любой двухвальный двигатель обладает такими локомотивными тяговыми качествами. Обычно, газовая турбина проектируется таким образом, что режимы максимальной экономичности и мощности совпадают с режимами максимальных чисел оборотов, определенных по условиям прочности элементов проточной части. В этих условиях вся рабочая зона турбины по скорости лежит влево от точки перегиба кривой мощности (см. рис. 13), и соотношение вращающихся моментов на границах рабочих режимов (при v = 0 и v = v_p) не превышает 1,8—2,0. Если такую турбину жестко соединить с колесами локомотива, то мы получим либо очень пологую тяговую характеристику (рис. 46, прямая 1, кривая 3), не обеспечивающую трогание составов с места, либо должны будем излишне увеличить мощность ГТД практически во всем диапазоне скоростных режимов локомотива (кривая 2).

Для того чтобы прямолинейная тяговая характеристика в достаточной мере удовлетворяла требованиям локомотива (прямая 5, соотношение граничных моментов 3,5—4,0), нужно, чтобы турбина работала на всей левой и части правой ветвей своей характеристики (кривая 4), т. е. максимальные ее обороты должны быть больше оборотов наивысшей экономичности (n_max>n_p).

Таким образом, локомотивная тяговая турбина в отличие от обычных стационарных и даже некоторых транспортных машин должна проектироваться на два основных режима: расчетный режим — режим максимальной мощности, как правило, совпадающий с режимом наибольшего к. п. д. турбины, и режим максимального числа оборотов по условиям прочности основных элементов турбины. Соотношение расчетных и максимальных оборотов, или, как говорят, «сдвижка» режимов, зависит от рода службы локомотива, диапазона скоростных режимов, характеристик проточной части турбины, типа передачи и других факторов.

Итак, при надлежаще спроектированной тяговой турбине двухвальный ГТД может быть соединен на локомотиве с «жесткой» передачей. К каким передачам относят механическую и электрическую переменного тока.

На рис. 47 приведена принципиальная схема силовой установки газотурбовоза на базе двухвального двигателя и механической передачи. Механическая передача состоит из следующих основных элементов: муфты сцепления, главного редуктора, реверс-редуктора, карданного вала и осевого редуктора. В отличие от известных механических передач, например автомобильных или тракторных, она не имеет коробки передач и поэтому называется бесступенчатой. Известно, что коробка скоростей позволяет преобразовать прямолинейную тяговую характеристику в ломаную, причем, чем больше число ступеней скорости, тем больше эта ломаная приближается к гиперболе. Такое решение чрезвычайно заманчиво, однако для мощных газотурбовозов, а именно о них идет речь, встречает почти непреодолимые трудности.

Речь идет о быстром (в целях исключения длительного «провала» силы тяги) переключении скоростей в условиях очень больших мощностей и тяговых усилий. Более простым и дешевым является путь специального проектирования тяговой турбины и форсирования ее скоростной характеристики изменением режима работы турбокомпрессора.

Рис. 47. Схема силовой установки газотурбовоза с двухвальным газотурбинным двигателем и механической передачей:

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — компрессорная турбина; 4 — тяговая турбина; 5 — сцепление; 6 — главный редуктор и реверс-редуктор; 7 — карданный вал; 8 — осевой редуктор; 9 — ведущая колесная пара

Муфта сцепления служит для отъединения жесткой передачи от тяговой турбины при переключении реверс-редуктора и работает только на холостом ходу двигателя. Понижающий редуктор необходим для уменьшения числа оборотов и при больших мощностях воспринимает значительные нагрузки на шестерни, вследствие чего получается достаточно тяжелым. Считается целесообразным использование для этих целей планетарных систем. Понижающий и реверс-редукторы обычно размещаются в одном корпусе.

Карданная система является звеном, передающим тяговые усилия от силовых элементов, жестко связанных с рамой кузова локомотива, к осевым редукторам, расположенным на тележках. В этом состоит сложность ее работы. На основе опыта эксплуатации тепловозных гидропередач принято считать, что карданы являются наиболее слабым местом механической передачи. Имеются в виду значительные динамические нагрузки, воспринимаемые карданами. Представляется не совсем правильным переносить подобные характеристики гидросистемы на силовую установку газотурбовозов. Газовая турбина является несомненно более мягким, демпфирующим элементом при динамических воздействиях, нежели гидротрансформатор, поэтому даже на мощных газотурбинных локомотивах можно ожидать достаточно устойчивую и надежную работу карданных систем. Интересно отметить, что на английском газотурбовозе Инглиш-Электрик и шведском Гетаверкен вместо карданов использована дышловая система, широко применяемая на паровозах.

Механическая передача имеет к. п. д. 90—92%, т. е. значительно выше, чем у электрической. Кроме того, она почти не требует расхода цветных металлов. Все это делает ее весьма перспективной в транспортных силовых установках с газовыми турбинами.

Несколько слов следует сказать о гидромеханической передаче, поскольку она применяется на некоторых газотурбинных локомотивах. Применение гидравлических преобразователей, являющихся, по существу, гидравлическими турбинами, в последовательной цепи со свободной газовой турбиной является противоестественным, поскольку они выполняют одни и те же функции. Использование на газотурбовозах гидропередачи может являться лишь вынужденным решением в случае, например, одновального двигателя или на специальных локомотивах, где требуется очень широкое изменение силы тяги.

Рассмотрим силовую установку, которая считается перспективной для газотурбинных локомотивов ближайшего будущего; она состоит из трехвального ГТД с тяговой турбиной среднего давления и теплотехническими мероприятиями (регенерация, промохлаждение и вторичный подвод тепла) и электрической передачи переменного тока (рис. 48). Сосредоточим внимание на передаче, так как она является новой в локомотивостроении (и вообще в транспортном машиностроении) и, что главное, ее осуществление возможно только в сочетании с ГТД. Особенность этой передачи в том, что она не трансформирует, а точно воспроизводит на колесах локомотива тяговую характеристику первичного двигателя. Иными словами, это «прозрачная» или «жесткая» передача, и не случайно по аналогии с механической ее называют электродинамическим валом.

Рис. 48. Схема силовой установки газотурбовоза с трехвальным газотурбинным двигателем и электрической передачей переменного тока:

1 — компрессор низкого давления; 2 — холодильник; 3 — регенератор; 4 — камера сгорания высокого давления; 5 — компрессорная турбина низкого давления; 6 — генератор переменного тока; 7 — тяговая турбина среднего давления; 8 — камера сгорания среднего давления; 9 — компрессорная турбина высокого давления; 10 — компрессор высокого давления; 11 — асинхронные тяговые электродвигатели

Трехфазный синхронный генератор, как правило, размещается непосредственно на валу тяговой турбины, так как в машинах переменного тока окружные скорости близки к турбинным. Ток от генератора идет непосредственно к короткозамкнутым асинхронным тяговым электродвигателям.

Свободная газовая турбина в рабочем диапазоне чисел оборотов уже создает необходимую тяговую характеристику, что позволяет осуществить частотное регулирование тяговых машин. Получение тяговых характеристик на колесах требует лишь регулирования напряжения синхронного генератора. Эту роль выполняет возбудитель, отбирающий мощность от одного из турбокомпрессоров. Связь характеристик возбуждения со скоростью тяговой турбины достигается тем, что одна из обмоток возбудителя, действующая навстречу обмотке независимого возбуждения, питается от специального генератора, жестко связанного с валом турбины синхронного генератора. С изменением скорости изменяется действие размагничивающей обмотки. В ряде случаев для улучшения тяговых свойств локомотива может быть применено переключение пар полюсов, что дает такой же эффект, как и переключение скорости при механической передаче.

Электрическая передача переменного тока имеет важные преимущества сравнительно с передачей постоянного тока. Высокооборотные машины переменного тока более легкие и требуют меньшего расхода цветных металлов; бесколлекторные генераторы и короткозамкнутые тяговые двигатели значительно надежнее и удобнее в эксплуатации, нежели коллекторные машины; в условиях такой передачи можно ожидать существенного повышения коэффициента сцепления группы обмоторенных осей, о чем свидетельствует опыт эксплуатации французских электровозов переменного тока с асинхронными двигателями. Недостатком рассматриваемого типа передачи является известное падение силы тяги асинхронных двигателей при очень малых оборотах. Эта задача, как показывают исследования, решается применением инверторных электрических бустеров небольшой мощности.

Когда мы говорили о необходимых качествах и характеристиках локомотивного ГТД, то совершенно не затрагивали один важный вопрос: о приемистости двигателя, т. е. времени, в течение которого он воспринимает и сбрасывает нагрузку. Для локомотива этот вопрос может оказаться решающим. Действительно, известно, что ни один локомотив (имеется в виду грузовой) не рассчитан на то, чтобы даже на площадке взять с места полностью растянутый полновесный состав. При подходе к поезду машинист локомотивом сжимает примерно около половины состава, выбирая зазоры в сцепных приборах. Далее при трогании с места локомотив последовательно растягивает состав, и к моменту трогания всего поезда значительная часть головных вагонов имеет уже скорость 5—10 км/ч. Но отсюда следует, что время выхода на рабочий режим двигателя не должно превышать времени растяжки состава, а это время составляет 10—15 сек. Далеко не всякий ГТД удовлетворяет таким требованиям. Тяжелые стационарные газовые турбины переходят с холостого режима на рабочий за несколько минут, что связано не только с большим моментом инерции вращающихся масс, но и с необходимостью плавного прогрева корпуса машины.

Конечно, приемистость легких, например авиационных двигателей, более чем достаточна для указанных условий, однако это зачастую идет вразрез с требованием жесткости и прочности конструкции. Локомотивный ГТД в вопросах конструкции, очевидно, должен занимать некоторое среднее положение между авиационными и стационарными машинами.

В последнее время в связи с возобновлением интереса к газотурбовозам рассматривается и еще одна задача: не целесообразно ли силовую установку газотурбовоза выполнять в виде двух независимых или связанных только передачей двигателей? На первый взгляд, это должно решить проблему переменного режима, ибо на мощностях ниже 50% можно использовать только один двигатель с максимально возможным к. п. д. Видимо, исходя из этих позиций, в ФРГ не только создали теплогазотурбовоз с дизелем и газовой турбиной, но и спроектировали и заказали газотурбовозы с двумя ГТД суммарной мощностью 4 800 л. с.

Анализ эксплуатации локомотивов, особенно в грузовом движении, показывает, что подобное решение далеко не всегда может оказаться эффективным. Дело в том, что появление частичных нагрузок в эксплуатации носит во многом случайный характер и далеко не всегда представляется возможным при режиме частичной мощности полностью заглушить второй двигатель. Работа же одного двигателя на полной или долевой мощности, а другого на холостом ходу уже не может априори рассматриваться всегда наиболее выгодной. Все зависит от характеристик двигателя. Исследования показывают, что дробление двигателя может оказаться целесообразным только для определенных условий эксплуатации и для двигателей, имеющих крутое падение к. п. д. по мощности. С переходом на трехвальные схемы, дающие пологое протекание кривой к. п. д. на частичных нагрузках и малый расход топлива на холостом ходу, силовые установки газотурбовозов целесообразно создавать на базе одного полноразмерного ГТД. Нецелесообразно в этих условиях и объединение в рамках одной силовой установки ГТД и тепловозного дизеля.

Несомненный интерес представляет полный отказ от применения на газотурбовозах дизеля даже в качестве вспомогательного агрегата. Возможности в этом направлении открывают использование опять-таки трехвального двигателя, поскольку для маневров, одиночного пробега и вспомогательных нужд мощность может отбираться от турбокомпрессора высокого давления, работающего в этот момент как самостоятельный двигатель.

Зарубежные газотурбовозы

Создание первых зарубежных газотурбовозов, как мы уже отмечали, относится к 40—50‑м годам, т. е. к периоду, когда газовая турбина как двигатель делала только первые шаги. Уровень экономичности ее был очень низок, и мысль об использовании на локомотивах газотурбинного двигателя побуждали лишь его хорошие мощностные качества и несомненные перспективы повышения экономичности.

Первый газотурбовоз № 1101 был построен в 1941 г. известной швейцарской фирмой Броун-Бовери. Силовая установка его состояла из одновального ГТД (с регенерацией тепла уходящих из турбины газов) мощностью 2 200 л. с. и электрической передачи постоянного тока. Температура газов перед турбиной была всего лишь 600°C, а соотношение давлений сжатия 4, поэтому, несмотря на наличие регенератора, к. п. д. двигателя был 16—17%, а газотурбовоза — менее 14%. Газотурбовоз находился в нормальной эксплуатации несколько лет. В 1949 г. по заказу английских железных дорог фирма Броун-Бовери с небольшим изменением конструкции двигателя (повышены обороты и число ступеней турбины, но снижена степень регенерации) построила второй газотурбовоз № 18000; мощность на валу была увеличена до 2 500 л. с.

В 1950 г. английская фирма Метрополитен-Виккерс построила газотурбовоз (№ 18100) с одновальным двигателем мощностью 3 000 л. с. и электрической передачей. Температура газов перед турбиной была повышена до 700°C, но от применения регенерации отказались, В результате к. п. д. двигателя на расчетном режиме возрос до 19%, а локомотива — до 15,—15,5%. В 1952 г. газотурбовоз поступил в эксплуатацию.

Проектными разработками газотурбовоза на пылеугольном топливе занималась английская фирма Парсонс. Однако к постройке газотурбовозов в Англии возвратились лишь 10 лет спустя (1961 г.), когда фирма Инглиш-Электрик сдала в эксплуатацию газотурбовоз с двухвальным регенеративным двигателем и механической передачей. Двигатель мощностью 2 750 л. с. уже имел температуру газов 777°C, степень регенерации 0,6 и к. п. д. на номинальном режиме 24%. Механическая передача представляла собой зубчатую понижающую передачу и систему дышел.

В США проблемой газотурбовозов занимался ряд фирм: Дженерал-Электрик, Алко, Вестингауз, Аллис-Чалмерс, Элиот, Балдвин, Боинг. Первый американский газотурбовоз (№ 50) с двигателем мощностью 4 800 л. с. был построен фирмами Дженерал-Электрик и Алко в 1948 г. Газотурбинный двигатель локомотива был простейший одновальный, передача электрическая постоянного тока. В 1950 г. один опытный газотурбовоз с двумя газотурбинными двигателями общей мощностью 4 000 л. с. построила фирма Вестингауз, однако после непродолжительной эксплуатации локомотив был разобран.

Газотурбовоз № 50, работая на железной дороге Юнион-Пасифик, показал вполне удовлетворительные результаты эксплуатации, и дорогой было решено выдать фирмам заказ на постройку 25 газотурбовозов. В 1952 г. дорога получила первые 10 газотурбовозов № 51—60, а к концу 1954 г. — остальные 15 локомотивов (рис. 49).

Рис. 49. Газотурбовоз Дженерал-Электрик и Алко № 61

Обращают на себя внимание умеренные параметры и чрезвычайная простота силовой установки газотурбовозов Дженерал-Электрик и Алко. Температура газов перед турбиной 707°C, степень повышения давления в компрессоре 6, число ступеней турбины 2. В результате к. п. д. на валу двигателя в расчетном режиме был 17%, а локомотива — около 14%; средний эксплуатационный к. п. д. газотурбовозов даже при хорошей организации эксплуатации не превышал 11—12%. Однако дорога, видимо, ориентировалась не на парадные показатели локомотивов, а на суммарные эксплуатационные расходы на перевозки. А они оказались примерно на том же уровне, что и у магистральных тепловозов. Это произошло в связи с тем, что потребляемое газотурбовозами топливо (облегченный мазут) было почти вдвое дешевле дизельного, значительно меньшим оказался расход смазки, снижены расходы на обслуживание. Газотурбовозы водили тяжеловесные поезда с набором топлива более чем через 600 км и показали хорошие тяговые качества, простоту управления.

Имея уже более чем пятилетний опыт эксплуатации газотурбовозов, дорога Юнион-Пасифик в конце 1955 г. выдала фирмам Дженерал-Электрик и Алко новый заказ на постройку партии газотурбовозов. Однако речь пошла о локомотивах значительно большей мощности. При той же схеме силовой установки мощность на валу двигателя была увеличена до 8 500 л. с. (на высоте 1 829 м над уровнем моря и температуре наружного воздуха 32°C); на уровне моря мощность двигателя достигала 10 700 л. с. Газотурбовозы имели две силовые секции (рис. 50) и прицепной топливный тендер. В первой секции был размещен вспомогательный шестицилиндровый дизель мощностью 1 000 л. с., под рамой секции расположен запас дизельного топлива (около 9,5 т). Секция полностью автономна и могла работать на маневрах и малых нагрузках локомотива. Во второй, главной секции была сосредоточена основная силовая установка: ГТД, электрические генераторы с возбудителями и вентиляторами. Общая длина локомотива 40,4 м, кузов каждой секции установлен на двух трехосных тележках, все оси которых имеют тяговые электродвигатели.

Рис. 50. Газотурбовоз 8 500 л. с. Дженерал-Электрик и Алко

Газотурбовозы 8 500 л. с. развивали силу тяги свыше 100 Т и водили маршруты весом 10—12 тыс. т на участке Консил—Блуффс—Огден протяженностью около 1 600 км.

Опыт работы американских газотурбовозов чрезвычайно показателен. Несмотря на низкую тепловую экономичность их двигателей, эксплуатационные расходы, как сообщалось в печати, были на 15—20% ниже, чем у тепловозов.

В настоящее время газотурбовозы дороги Юнион-Пасифик демонтированы, так как большинство двигателей проработало свыше 100 тыс. ч. Фирма Дженерал-Электрик предполагает возвратиться к проблеме газотурбовозов, но на основе более современных и экономичных газотурбинных двигателей.

Фирмой Боинг был построен и эксплуатировался маневровый газотурбовоз с механической передачей. На локомотиве установлены два двухвальных двигателя каждый мощностью 160 л. с. Тяговые турбины соединены общим редуктором, имеют сдвоенную гидравлическую муфту и муфту сцепления; передача также содержит комбинированный планетарный редуктор и дышловой передаточный механизм. Температура газов перед турбинами была достаточно высокой (845°C), однако в связи с низким соотношением давлений сжатия в компрессоре к. п. д. на валу двигателей оказался только 13%. Для повышения эксплуатационного к. п. д. схема силовой установки предусматривала отключение одного из двигателей при нагрузках 50% и ниже.

В результате многолетних исследований фирмой Аллис-Чалмерс была построена и в 1955 г. испытана локомотивная газотурбинная установка на угольной пыли мощностью 3 540 л. с.

Опыт оказался неудачным: наблюдались отложения золы в камере, шлакование золоотделителя, износ и трещины лопаток.

Рис. 51. Газотурбовоз завода им. В. И. Ленина в ЧССР

В 1957—1959 гг. завод им В. И. Ленина в ЧССР построил два опытных газотурбовоза мощностью 3 200 л. с. (рис. 51). Силовые установки локомотивов состояли из двухвальных регенеративных ГТД и механической передачи. Температура газов была весьма умеренной (650°C), степень повышения давления 4,8, степень регенерации 0,45. Вместе с тем двигатель на расчетном режиме показал к. п. д. около 22%, что было достигнуто за счет высокой эффективности турбомашин. Тяжелый трубчатый регенератор не оправдал себя, показав в эксплуатации степень регенерации только около 0,35. Главный редуктор механической передачи предусматривал одно переключение скорости, однако практически в условиях эксплуатации этого сделать не удавалось. Двигатель локомотивов не удовлетворял требованиям приемистости.

Основные характеристики зарубежных газотурбовозов и их силовых установок приведены в табл. 2.

Газотурбовозы Коломенского тепловозостроительного завода им. В. В. Куйбышева

В 1955 г. Коломенскому тепловозостроительному заводу им. В. В. Куйбышева было поручено спроектировать и построить первый отечественный грузовой газотурбовоз. Предполагалось, что локомотив будет двухсекционным общей мощностью двигателей 7 000 л. с. с однокабинным исполнением каждой секции.

На заводе было создано специальное конструкторское бюро и производственно-экспериментальная база. Коллектив завода выполнил проектирование и постройку ГТД в содружестве с МВТУ им. Баумана и предприятиями авиационной промышленности.

Ставилась задача создания простейшей и надежной силовой установки. Была выбрана одновальная схема двигателя без регенерации тепла с умеренными даже по тому времени термодинамическими параметрами: температура газов перед турбиной 727°C, степень повышения давления 5,8. В результате даже расчетный к. п. д. двигателя на номинальном режиме ожидался 20—21%, а локомотива — 16—17%. Была принята электрическая передача тепловозного типа и лишь для уменьшения передаточного отношения в понижающем редукторе число оборотов генератора повышено до 1 800 об/мин.

В процессе освоения конструкции и доводки заводом было создано семь двигателей (рис. 52); часть из них имела подшипники скольжения, часть — подшипники качения. Ниже дана основная характеристика газотурбинного двигателя.

Первый осевой компрессор имел механизмы для поворота направляющих аппаратов всех 12 ступеней, что значительно облегчило работы по его доводке. В эксплуатационных образцах компрессора поворотные направляющие лопатки сохранены на первых ступенях (для удаления режима пуска двигателя от границы помпажа); в средних ступенях предусмотрен противопомпажный выпуск воздуха.

Ротор компрессора диско-барабанной конструкции с елочным креплением лопаток; по концам вала, особенно со стороны высокого давления, размещены достаточно развитые лабиринтовые уплотнения.

Воздух из компрессора поступает в блок из шести камер сгорания, расположенных по окружности вокруг среднего корпуса двигателя, соединяющего корпуса компрессора и турбины. Конструкция камер сгорания (особенно в части воздухораспределения и узлов жаровых труб) была тщательно отработана на специальных стендах, причем уже на этой стадии было достигнуто эффективное сжигание тяжелых жидких топлив. Камеры оборудованы форсунками. В период запуска двигателя в форсунку подается дизельное топливо, в остальное время — тяжелое. Тяжелое топливо подается к форсункам под давлением 55—60 кГ/см² и температуре 70—80°C, для чего специально подогревается. Первичное зажигание топлива производится от запальных электрических свечей, расположенных в трех камерах. В остальных камерах воспламенение топлива осуществляется за счет переброса пламени через перепускные патрубки. В процессе работы камер топливо подается непосредственно в горящий факел.

Рис. 52. Общий вид ГТД:

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина

Конструкция камер и их крепления к патрубкам компрессора и турбины допускает простую и быструю разборку для ликвидации нагара, коробления элементов или даже смены жаровых труб.

Газовая турбина двигателя четырехступенчатая, все ступени реактивные. Ротор турбины, как и компрессора, дискобарабанный. Центровка дисков и передача вращающего момента осуществляются так называемыми хиртами (торцовыми шлицами). Рабочие лопатки сильно закручены по высоте; к диску они крепятся с помощью «елочного» замка. Диски первой, второй и третьей ступеней и хвостовики расположенных на них лопаток охлаждаются воздухом, отбираемым после 12‑й ступени компрессора; воздух через отверстие в рабочем диске поступает в междисковое пространство, а затем через каналы у основания лопаток в проточную часть турбины.

Одновальный газотурбинный двигатель Коломенского завода успешно прошел стендовые и междуведомственные испытания. Были достигнуты почти все расчетные показатели: мощность 3 500 л. с., расход воздуха 23,4 кг/сек, степень повышения давления в компрессоре 6,14, температура газов 720—730°C (по показаниям термопар, установленных в сопловые лопатки). Несколько ниже расчетного оказался к. п. д. двигателя — 17,5—18%, что, как показал анализ, произошло из-за несовершенства осевого компрессора: его относительный к. п. д. был получен 0,78—0,8 вместо 0,85 по расчету. Это свидетельствует о том, что такой сложный в аэродинамическом отношении агрегат, как осевой компрессор, целесообразно моделировать по лучшим промышленным образцам, имеющим к. п. д. 0,88—0,9.

В конце 1959 г. был построен первый опытный газотурбовоз (Г1‑01). Общий вид этого газотурбовоза показан на рис. 53.

Рис. 53. Грузовой газотурбовоз Г1‑01 Коломенского тепловозостроительного завода

Локомотив выполнен в однокабинном кузове на двух трехосных тележках; все оси обмоторены, т. е. имеют тяговые электродвигатели.

Расположение оборудования внутри газотурбовоза Г1‑01 показано на рис. 54. Газотурбовоз имеет три отсека. В переднем расположена кабина машиниста и высоковольтная камера. Средний отсек является основным машинным отделением. В нем на общей раме установлены главные агрегаты силовой установки локомотива: газотурбинный двигатель, редуктор, электрические генераторы постоянного тока. В последнем, третьем отсеке расположено вспомогательное оборудование локомотива: маневровый дизель мощностью 220 л. с. с генератором постоянного тока, тормозной компрессор, отопительный водяной котел для подогрева топлива, бак дизельного топлива и др.

Топливный бак, вмещающий 9,5 т основного тяжелого топлива, размещен под рамой локомотива между тележками.

В течение 1960—1961 гг. газотурбовоз Г1‑01 был подвергнут тщательным испытаниям. Коломенским заводом совместно с ЦНИИ МПС и МВТУ им. Баумана проводились реостатные испытания, пробные поездки с поездами, наладочный пробег локомотива на экспериментальном кольце ЦНИИ МПС.

В начале 1962 г. газотурбовоз был направлен в депо Кочетовка Юго-Восточной дороги для опытной эксплуатации. К концу года он совершил с поездами свыше 20 000 км пробега; общий пробег локомотива с учетом испытаний достиг 30 000 км. Газотурбовоз показал хорошие эксплуатационные качества и надежную работу в летних и зимних условиях.

Рис. 54. Расположение оборудования на газотурбовозе Г1‑01:

1 — холодильник; 2 — компрессор; 3 — камеры сгорания; 4 — турбина; 5 — редуктор; 6 — главные генераторы; 7 — вспомогательный генератор; 8 — возбудитель; 9 — высоковольтная камера; 10 — тормозной компрессор; 11 — маневровый генератор; 12 — вспомогательный дизель; 13 — бак дизельного топлива; 14— котел-подогреватель; 15 — бак тяжелого топлива

На основе положительных результатов эксплуатации газотурбовоза Г1‑01 было принято решение о постройке еще нескольких таких локомотивов. Вместе с тем оказалось нецелесообразным вновь изготовлять кузов, экипажную часть, электрическое и вспомогательное оборудование локомотивов по типу Г1‑01. Было решено использовать серийно выпускаемые Коломенским заводом пассажирские тепловозы ТЭП60, заменив в них дизель на ГТД. Правда, это влекло за собой некоторое недоиспользование мощности газотурбинного двигателя (3 500 л. с.), так как дизель и соответственно передача тепловозов ТЭП60 имеют мощность 3 000 л. с.

Рис. 55. Пассажирский газотурбовоз ГП1‑0002 Коломенского тепловозостроительного завода

В 1964 г. были построены два пассажирских газотурбовоза ГП1‑0001 и ГП1‑0002 (рис. 55). Помимо того что локомотив стал двухкабинным, в отличие от Г1‑01 на нем установлен дизель мощностью 400 л. с. с режимом непрерывной работы,

Основные характеристики газотурбовозов Коломенского тепловозостроительного завода приведены ниже¹.

¹ В числителе — данные для газотурбовоза Г1‑01, в знаменателе — для ГП1.

Опыт эксплуатации газотурбовозов

В депо Кочетовка газотурбовоз Г1‑01 устойчиво по графику водил грузовые составы весом 2200—2800 т, причем даже на самых трудных участках — затяжных 8—9‰-ных подъемах выдерживалась скорость не ниже 35—40 км/ч; большинство поездок проходило с опережением графика. Уже можно было говорить об эксплуатационных расходах топлива и смазки. Ярко выразилась зависимость расхода топлива от веса состава, т. е. нагрузок локомотива; при полновесных составах расход топлива газотурбовозом на измеритель в 2—2,2 раза превосходил расход топлива тепловозами ТЭ3, работавшими на том же участке. Это соответствовало энергетическим возможностям локомотива. В отдельных поездках расход смазки ГТД в 7—10 раз был меньше, чем у тепловозного дизеля. Газотурбовоз Г1‑01 в течение 1961—1965 гг. совершил пробег около 60 тыс. км.

С постройкой пассажирских газотурбовозов ГП-1 возник вопрос о выделении специализированного депо, в котором можно было бы наладить систематическую эксплуатацию и ремонт первых отечественных газотурбинных локомотивов. В качестве такого депо было выбрано бывшее паровозное депо Льгов Курского отделения Московской дороги (рис. 56). Депо имело возможность эксплуатировать газотурбовозы на различных тяговых участках меридионального и широтного ходов, было достаточно близко расположено к Коломенскому заводу и к исследовательским организациям.

Осенью 1965 г. в депо Льгов начал эксплуатационную работу газотурбовоз Г1‑01, пассажирские газотурбовозы поступили туда после наладочных тяговых испытаний на экспериментальном кольце ЦНИИ МПС. Прошло более 5 лет работы газотурбовозов в депо Льгов. За это время они пробежали с поездами свыше 600 тыс. км. Каковы же основные результаты, каков опыт, полученный в итоге эксплуатации первых отечественных газотурбовозов?

Рис. 56. Схема тяговых участков депо Льгов

Важнейший итог эксплуатации газотурбовозов несомненно тот, что ГТД — высоконадежные машины, вполне удовлетворяющие требованиям локомотивной службы. Первые же образцы газотурбовозов успешно работают в эксплуатации. Это, однако, не значит, что за 5 лет не было неисправностей, поломок различных элементов силовых установок, простоев и ремонта двигателей. Конечно, были. Но они были связаны не с какими-либо принципиальными недостатками конструкции, а с некоторыми неудачными техническими решениями отдельных узлов, ошибками при эксплуатации и т. д. Значительное число неисправностей имели вспомогательные устройства двигателей (система регулирования, масляная, топливная системы), электрооборудование и вспомогательные агрегаты локомотива. Опыт эксплуатации, в частности, указал на нецелесообразность схемы силовой установки газотурбовоза с постоянно работающим дизелем, как это выполнено на пассажирских машинах.

Наиболее часто сменяемым элементом ГТД является жаровая труба камеры сгорания. Средний срок службы жаровых труб в депо Льгов составил 1 800 ч, что близко к заданному (2 000 ч). Смена жаровой трубы осуществляется в течение 1—2 ч.

Благодаря простоте конструкции и малым весам деталей и узлов ГТД легко поддается разборке, осмотру и ремонту даже в депо, не имеющем специального оборудования. Замена и ремонт подшипников, камер сгорания, смена отдельных лопаток (без балансировки ротора), разборка, сборка и центровка турбомашин свободно осуществляются силами слесарей, ранее производивших только ремонт паровозов. При наличии в депо балансировочного станка была бы возможна и полная смена лопаток турбин и компрессоров.

Можно с уверенностью сказать, что внедрение газотурбовозов не только не потребует дополнительных капитальных вложений в ремонтную базу депо и заводов, а напротив, упростит и удешевит ее, значительно сократит расходы на ремонт локомотивов.

На газотурбовозах успешно использовалось относительно тяжелое жидкое топливо — дистиллят (ГОСТ 10433—63), получаемый в результате замедленного коксования остаточных нефтепродуктов в процессе изготовления металлургического кокса. Это топливо содержит 2,5—3% серы, имеет высокую вязкость, температуру застывания и вспышки, повышенное содержание золы, механических примесей, тяжелых углеводородов. Дистиллятное топливо в настоящее время более чем вдвое дешевле малосернистого дизельного. В газотурбинных двигателях успешно сжигались дистилляты с содержанием воды до 1%; на стенде камер сгорания ЦНИИ МПС и Коломенского завода получены обнадеживающие результаты по сжиганию моторных топлив, облегченных мазутов и сырой нефти.

Несмотря на использование тяжелых сернистых топлив, содержащих к тому же значительное количество ванадия, состояние поверхностей рабочих лопаток турбин вполне удовлетворительное.

Естественно, что большой интерес представляют экономические топливные показатели работы газотурбовозов. Экономичность одновального газотурбинного двигателя, как мы знаем, резко падает с уменьшением потребляемой мощности. Поэтому в эксплуатации была обнаружена очень сильная зависимость расхода топлива на измеритель от нагрузки, т. е. от степени использования мощности двигателей.

Следует отметить, что в депо Кочетовка наряду с опытными поездками при различных весах поездов удалось организовать эксплуатацию газотурбовоза Г1‑01 с режимами, достаточно близкими к расчетным (вес поезда 2 700—2 900 т). В депо Льгов эта задача оказалась значительно сложнее. Так как в графиковую работу с прикрепленными бригадами было необходимо включить два пассажирских и один грузовой газотурбовоз, были вынуждены все локомотивы перевести на обслуживание пассажирских поездов на участке Курск—Льгов—Конотоп.

В результате коэффициент использования мощности К (отношение средней мощности за поездку, с учетом холостого хода, к номинальной) оказался крайне низким (табл. 3).

Отдельные поездки со скорыми поездами на участке Конотоп—Киев дали значительно лучшее использование мощности газотурбинных двигателей. В табл. 3 в качестве иллюстрации приведены графики относительных времен τ реализации различных мощностей N в долях от номинальной за поездку.

Таблица 3

Участок	Распределение мощности	Вес поезда, т	Средняя техни- ческая скорость, км/ч	Относи­тель- ное время холостого хода	Коэффи- циент использо- вания мощности, К
Кочетовка—Рыбное		2 708	54,1	0,29	0,566
Льгов—Конотоп		806	55,0	0,6	0,202
Конотоп—Киев		1 058	71,8	0,3	0,479

Зависимость удельного расхода топлива в килограммах на 10 тыс. ткм брутто газотурбовозами от величины коэффициента использования мощности К приведена на рис. 57. Как видно, расход топлива газотурбовозами может изменяться в зависимости от нагрузки в 3—4 раза. Отсюда непосредственно вытекает важнейшее требование к локомотивным ГТД, о которой говорилось ранее, — необходимость стабилизации к. п. д. в достаточно широком диапазоне частичных мощностей.

Рис. 57. Расход топлива на измеритель газотурбовозами в зависимости от коэффициента использования мощности двигателя

Газовая турбина требует в 5—7 раз меньше смазки, чем тепловозный дизель, причем смазка значительно дешевле, и нет необходимости в каких-либо специальных присадках:

¹ В числителе — данные для газотурбовозов, в знаменателе — для тепловозов.

В депо Льгов газотурбовозы работали в неблагоприятных условиях не только по использованию мощности двигателей, о чем уже шла речь, но и по напряженности важнейших узлов (проточная часть турбин, корпуса, камеры сгорания и др.). Об этом свидетельствует очень высокая доля времени работы на холостом ходу (60% — см. табл. 3), а следовательно, частые пуски, сбросы и набросы нагрузки. Оказывается, что число сбросов нагрузки на холостой ход в пределах 100 км пути при работе газотурбовозов на участке Льгов—Конотоп в 2—3 раза выше, чем при обычной эксплуатации магистральных тепловозов. Это обстоятельство учитывается машинистами газотурбовозов. В летний период, когда облегчен запуск двигателя, если время холостого хода превышает 5—6 мин, они полностью глушат турбину.

Это дает заметную экономию топлива. С другой стороны, такие режимы работы связаны со значительными забросами температур, несомненно повышают теплонапряженность элементов двигателя и снижают их моторесурс.

Ссылаясь на авиацию, много говорят о том, что ГТД якобы не пригоден для наземных транспортных средств из-за создаваемого им сильного шума. В этом отношении тоже поучителен и интересен опыт работы газотурбовозов.

На рис. 58 приведены результаты специальных исследований уровня шума в кабинах ряда локомотивов, в том числе газотурбинных и электросекций. Поразительный результат! Самый низкий шум в кабине газотурбовоза Г1‑01, причем это единственный случай, когда удовлетворяется санитарная норма. В тепловозной кабине газотурбовоза ГП-1 шум ниже, чем в кабине серийных тепловозов.

Рис. 58. Характеристики шума в кабинах локомотивов:

1 — газотурбовоз Г1‑01 при скорости 100 км/ч; 2 — электросекция ЭР-22 при скорости 80 км/ч; 3 — газотурбовоз ГП1 при скорости 100 км/ч; 4 — электровоз ЧС2 при скорости 100 км/ч; 5 — тепловоз 2ТЭ40 при скорости 80 км/ч; 6 — по санитарным нормам

В ГТД шумит не турбина и не компрессор — шумят колоссальные массы воздуха, проходя через всасывающую систему компрессора и выпускную турбины. Этот шум имеет более высокие частоты сравнительно с шумом дизелей, и лишь это является отличительным, когда находишься рядом с газотурбовозом, двигатель которого работает.

Следует иметь в виду, что на первых газотурбовозах совершенно отсутствуют какие-либо шумопоглощающие устройства, фильтры и т. д.

По мере повышения экономичности ГТД сокращается расход воздуха на единицу мощности. Это значит, что появляются благоприятные перспективы снижения скоростей воздуха и газов в патрубках турбомашин, установки фильтрующих элементов, т. е. снижения уровня и частоты шума двигателя.

Опыт эксплуатации первых отечественных газотурбовозов может быть с успехом использован при дальнейших разработках более мощных и более совершенных газотурбинных локомотивов.

Перспективы развития газотурбинной тяги на железных дорогах СССР

Можно назвать много примеров из истории техники, когда новое изобретение или открытие получает признание и внедрение долгие годы спустя, только после того, как общий уровень развития техники создает необходимые предпосылки для этого, позволит по-новому подойти к казалось бы известным мыслям, идеям, конструкциям.

Ярким примером этому может служить история развития и внедрения газовых турбин. Двигатель, принципы работы которого были известны много веков назад, начал бурно развиваться и совершенствоваться только в последние десятилетия, когда на достаточном уровне были решены важнейшие научные и технические проблемы — жаропрочности сплавов и аэродинамики лопаточного аппарата турбомашин.

И уже на этом современном этапе ярко просматриваются стадии технического совершенствования и области внедрения ГТД в различные отрасли народного хозяйства.

Бурное внедрение газовой турбины в авиации в 1946—1950 гг., как мы уже отмечали, было обусловлено главным образом ее высокими мощностными показателями. Первые же попытки наземного использования ГТД (стационарные, транспортные) столкнулись с проблемой экономичности. Весьма показательно, что большинство ГТД того времени создавалось с регенеративными теплообменниками. Однако низкие термодинамические параметры и к. п. д. турбомашин, отсутствие высокоэффективных поверхностей нагрева — все это привело к тому, что регенераторы получались чрезвычайно громоздкими, малоэффективными, что в итоге приводило к полному отказу от двигателя.

Потребовались десятки лет научных исследований, поисков и совершенствования конструкций. В результате открытия новых жаропрочных сплавов и разработки методов охлаждения элементов проточной части резко (на 300—400°C) возросла температура газов перед турбиной; теоретические и экспериментальные исследования в области гидромеханики и газодинамики позволили поднять к. п. д. компрессоров и турбин до величины 0,9—0,92; найдены многочисленные конструкции (пластинчатые, вращающиеся, металлокерамические и т. д.) теплопередающих поверхностей, в несколько раз превышающие по эффективности обычные трубчатые. И вот сейчас наблюдается интересная тенденция — вновь возвращаются к сложным схемам, к теплотехническим мероприятиям и теплообменным аппаратам. Но это проходит на новом, более высоком техническом уровне, на основе новых научных и конструктивных решений. Рост к. п. д. двигателя повлек за собой увеличение удельной работы и сокращение расхода воздуха на единицу мощности; этому же способствует, как мы уже знаем, введение охлаждения воздуха в процессе сжатия и дополнительного подвода тепла при расширении. В этих условиях осуществляют степень регенерации 0,7—0,8 и габариты теплообменников соизмеримы с размерами турбомашин.

Такое комплексное, взаимосвязанное совершенствование привело к тому, что лучшие образцы ГТД уже подошли вплотную по экономичности к современным дизелям (табл. 4). Это ярко подчеркивает термодинамические возможности цикла ГТД: к. п. д. достигнет и превзойдет к. п. д. дизелей при значительно меньших максимальных температурах цикла.

О том, что сейчас действительно наблюдается весьма интенсивное применение ГТД в наземных условиях, свидетельствуют данные международного конгресса по газовым турбинам, состоявшегося в 1969 г. в США; только за последние 7—8 лет мощность наземных ГТД возросла в 12—16 раз.

В СССР и за рубежом ГТД получили широкое распространение на газопрокачивающих станциях, в военно-морском флоте и скоростном пассажирском флоте; во многих странах широкую эксплуатационную проверку проходят газотурбинные автомобили. Совершенно естественно, что возрос интерес и к проблеме внедрения газотурбинных локомотивов на железнодорожном транспорте.

Генеральной линией в развитии отечественного железнодорожного транспорта является, как известно, электрификация. Наряду с этим развитие и совершенствование автономной тяги является актуальным не только сегодня, но и в более далекой перспективе. Электрификация железных дорог требует очень больших капиталовложений и поэтому экономически оправдывается на участках с большой грузонапряженностью. Даже к 1980 г. грузооборот, выполняемый автономной тягой, будет только немногим меньше грузооборота, выполняемого в 1972 г. всеми видами тяги.

Непрерывно растущие требования повышения весов поездов и скоростей их движения определяют необходимость создания все более и более мощных локомотивов. За последние годы достигнуты значительные успехи в развитии отечественного локомотивостроения — созданы магистральные тепловозы мощностью 3 000—4 000 л. с. в секции. Однако уже сейчас необходимы автономные локомотивы секционной мощностью 6 000—8 000 л. с., т. е. на уровне, освоенном электровозами переменного тока.

Не менее важной является проблема жидкого топлива. Тепловозный парк потребляет колоссальное количество малосернистого дизельного топлива и высококачественных масел. Перевод автономных локомотивов на низкосортные топлива несомненно имеет большое народнохозяйственное значение.

Газотурбинные локомотивы решают указанные выше проблемы. Это прежде всего локомотивы больших мощностей. ГТД практически не ограничивает единичную мощность локомотива — решающими являются вопросы о передаче и необходимом соотношении мощности и сцепного веса. Газотурбовозы 6 000—8 000 л. с. в секции с электрической передачей переменного тока могут быть созданы уже сегодня. ГТД, как мы уже знаем, работают на высокосернистых топливах и расходуют мало смазки. Получены благоприятные результаты сжигания в камерах моторного топлива, некоторых сортов мазутов и сырой нефти. Это значит, что газотурбинные локомотивы смогут использовать широкий ассортимент дешевых нефтепродуктов.

Совершенно естественно возникает вопрос, какие ГТД нужны локомотивам сегодня? Есть ли необходимость требовать, чтобы к. п. д. этих двигателей был на уровне дизелей?

Рис. 59. Линии равных денежных затрат на эксплуатацию в зависимости от соотношения цен на газотурбинное и дизельное топливо при различных значениях к.п.д. дизеля и газотурбинного двигателя

Многочисленные технико-экономические исследования, а также опыт эксплуатации первых газотурбовозов дают достаточно убедительный ответ на этот вопрос. Экономия затрат на освоение заданного объема перевозок при газотурбинной тяге, сравнительно с тепловозной, может быть достигнута за счет:

1) снижения единичной стоимости локомотивов. Газотурбовоз на 20—25% дешевле тепловоза той же мощности в связи с более простой конструкцией двигателя и передачи (механической и электрической переменного тока), а также удешевлением стоимости вспомогательных систем;

2) сокращения расходов на ремонт локомотивов. Зарубежные и отечественные данные позволяют считать, что затраты на ремонт газотурбовоза на 15—20% ниже по сравнению с затратами для односекционных тепловозов той же мощности;

3) сокращения потребного парка локомотивов и вагонов. Возможность повышения единичной мощности газотурбовозов позволяет выполнить заданный объем перевозок меньшим парком локомотивов, соответственно сократив расходы на его приобретение, содержание и ремонт, и с более высокими скоростями движения;

4) снижения расходов на смазочные масла.

Итак, остается практически одна статья эксплуатационных расходов — затраты на топливо. Очевидно, что они зависят от эксплуатационного к. п. д. локомотива (т. е. двигателя) и цены на топливо.

На рис. 59 приведены результаты технико-экономических исследований, выполненных в ЦНИИ МПС. Прямые линии на графике соответствуют равенству суммарных денежных затрат на эксплуатацию газотурбовозов и тепловозов при различных к. п. д. двигателей и соотношениях цен газотурбинного и дизельного топлива (Ц). Нетрудно видеть, что при соотношении цен порядка 0,7—0,8 ГТД с к. п. д. на расчетном режиме 0,3—0,32 обеспечит более экономичную работу газотурбовоза даже по сравнению с перспективными тепловозами (η_диз = 0,45).

Однако только одно значение к. п. д. расчетного режима мало что говорит о ГТД. Для эксплуатации более важным является средний эксплуатационный к. п. д. в зависимости от напряженности работы двигателя, т. е. от коэффициента использования его мощности К.

В табл. 5 приведены характеристики некоторых схем ГТД: к. п. д. на расчетном режиме η_N, отношение эксплуатационного к. п. д. к расчетному η_экс и сравнительный расход топлива по отношению к расходу первыми коломенскими газотурбовозами e/e_3,5. В одновальных машинах температура газов перед турбиной принята 730—750°C, в трехвальных 850°C; степень регенерации — соответственно 0,6 и 0,75.

Таблица 5

Тип	ГТД	Схема	ηN	К = 0,25		К = 0,5
				ηэкс	e/e3,5	ηэкс	e/e3,5
Одно- вальные	Простейший Коломенского завода (3 500 л. с.)		18,5	0,47	1,00	0,78	1,00
	С регенерацией		27,5	0,56	0,57	0,85	0,62
Трех- вальные	С тяговой турбиной низкого давления без теплотехнических мероприятий		25,0	0,66	0,53	0,89	0,65
	С тяговой турбиной среднего давления с регенерацией		31,6	0,75	0,37	0,94	0,49
	С регенерацией, охлаждением и дополнительным подводом тепла		34,0	0,80	0,32	0,97	0,44

Только трехвальные (двухкомпрессорные) двигатели с тяговой турбиной среднего давления и теплотехническими мероприятиями дают достаточно резкое улучшение эксплуатационных характеристик газотурбовозов. Даже в условиях очень низкого коэффициента использования мощности К=0,25, который для мощных газотурбовозов практически означает следование с порожняком, эксплуатационный к. п. д. снижается только на 20% сравнительно с номинальным, а расход топлива на измеритель более чем в 3 раза ниже, чем у первых газотурбовозов. Следует иметь в виду, что серьезную роль в этом играет низкий расход топлива на холостом ходу (10—12%) у трехвальных машин, обеспечиваемый возможностью работы только турбокомпрессора высокого давления.

Можно ли уже сегодня создать такие ГТД? Да, можно. Об этом свидетельствуют проектные разработки, выполненные в последние годы конструкторами Коломенского завода. Расчеты характеристик двигателя на ЭВМ полностью подтвердили приведенные выше данные о возможностях таких машин. Таким образом, газотурбовозы ближайшей перспективы должны создаваться мощностью 6 000—8 000 л. с. в секции с электрической передачей переменного тока на базе трехвальных двигателей с теплотехническими мероприятиями.

Важным является вопрос о возможном полигоне газотурбовозной тяги. Совершенно ясно, что мощные газотурбовозы должны использоваться на неэлектрифицированных участках с достаточно высокой грузонапряженностью. Это могут быть главные хода дорог, стыковые участки, прилегающие к электрифицированным дорогам, железнодорожные новостройки. При оценке перспектив размещения участков газотурбинной тяги необходимо учитывать особенности рабочего процесса двигателей. Даже для локомотивов с трехвальными двигателями, имеющими благоприятные характеристики частичных нагрузок, целесообразно предусмотреть возможность работы с тяжеловесными безостановочными маршрутами в целях обеспечения максимального эксплуатационного использования их мощности.

ГТД не требуют воды и эффективно работают при низких температурах окружающего воздуха; зимой их к. п. д. может возрасти сравнительно с летним периодом на 1,5—2%, а мощность — почти в 1,5 раза. Это значит, что газотурбовозы наиболее целесообразно использовать на дорогах северных и восточных районов страны с низкой среднегодовой температурой воздуха. При проектировании двигателей и передач нужно предусмотреть возможность реализации повышенных мощностей в зимних условиях. Предварительные расчеты Гипротранстэи показывают целесообразность применения газотурбовозов на полигоне около 15 тыс. км в северных и восточных районах страны. Кроме этого целесообразно применение газотурбовозов на проектируемых и строящихся железных дорогах Севера, Сибири, и Дальнего Востока.

Хотя газотурбовозы и будут внедряться на участках тепловозной тяги, однако было бы неправильно противопоставлять эти локомотивы. Тепловозы и газотурбовозы — это прежде всего локомотивы различной мощностной категории, а поэтому при их совместной работе должны различно использоваться: газотурбовозы для маршрутной длиннопробежной работы, тепловозы — для местной. Целесообразность совместной работы газотурбовозов и тепловозов вытекает и из особенностей их рабочего процесса (дизели менее чувствительны к переменному режиму) и из того, что они могут эксплуатироваться в рамках одной ремонтно-экипировочной базы.

Необходимо также учитывать тот факт, что к 1980 г., т. е. к сроку, когда можно рассчитывать на достаточно широкое развитие газотурбовозостроения, большой парк локомотивов постройки 50—60‑х годов отработает свой век и его нужно будет заменять более мощными и современными локомотивами.

Газотурбовозы — это автономные локомотивы будущего. В этом нельзя сомневаться. Можно спорить лишь о сроках и масштабах их внедрения на железнодорожном транспорте.

Глава V

Турбопоезда

Особенности высокоскоростного пассажирского движения

Высокие скорости — настоятельное требование времени. И не только применительно к транспорту. Повышение скоростей обработки деталей на станках, скорости конвейерных линий, прокатных станов и т. д. — в конечном итоге есть повышение производительности труда — решающий фактор технического прогресса. Увеличение скорости на транспорте — это усиление «кровообращения» во всем могучем и многообразном организме страны, сокращение срока новостроек, непроизводительных простоев предприятий, ускорение товарооборота, уменьшение потери времени на перевозку пассажиров и др.

В наш век бурного развития техники, колоссального повышения мощности транспортных средств особенно ярко чувствуется борьба всех видов транспорта за скорость. Уже воздушный транспорт перешагнул через «звуковой барьер», по речным трассам с невиданной ранее скоростью проносятся суда на подводных крыльях, нас не удивляет скорость 100—140 км/ч автомобилей, пассажирских поездов.

Сейчас уже достаточно остро стоит вопрос о сферах влияния различных видов транспорта. Такие расстояния, как Москва—Иркутск или Москва—Владивосток, многие предпочитают покрывать на воздушных лайнерах за несколько часов, вместо того чтобы несколько суток ехать по железной дороге; и тем не менее было бы совершенно неправильно делать вывод о бесперспективности железнодорожных пассажирских перевозок. Железнодорожный транспорт еще не сказал своего последнего слова. Однако и сейчас можно отметить, что перелет из Москвы в Ленинград, с учетом времени передвижения из центра города в аэропорты, очень немногим меньше времени переезда в поездах «Аврора»,

То, что железнодорожный транспорт является самым дешевым транспортным средством, между прочим органически связано с его природой. Всего около 3÷5 кГ силы тяги необходимо для того, чтобы 1 т груза переместить по железнодорожному пути со скоростью 100 км/ч. На автомобиле для этого нужна тяга почти в 10 раз больше. С повышением скорости, как известно, резко возрастает воздушное сопротивление, и если в авиации при скорости 300—400 км/ч для 1 т груза нужна сила тяги 100 кГ, то при скоростях 200—250 км/ч сопротивление 1 т железнодорожного экипажа составляет 10—15 кГ. Это значит, что средние скорости особенно выгодны на железнодорожном транспорте.

Однако скорость даром не достигается, — за нее нужно платить, и не только потребляемой мощностью. Увеличиваются требования к прочности и надежности всех элементов транспортной машины, к организации перевозочного процесса.

Существенное повышение скорости движения поездов требует более мощных и совершенных локомотивов и вагонов, усиления верхнего строения пути и искусственных сооружений, средств связи, автоблокировки, диспетчерской централизации, изменения графика движения поездов, технологии работы узлов и станций. Вот почему проблема высокоскоростного движения на железнодорожном транспорте рассматривается, как весьма сложная техническая и экономическая задача. Считается, что при уровне транспортной техники ближайших лет наиболее рентабельными будут железнодорожные пассажирские перевозки со скоростями 160—200 км/ч. Именно о таких цифрах идет речь в СССР и на большинстве зарубежных железных дорог.

Представим себе, что обычный 12‑вагонный пассажирский поезд нужно провести со скоростью 200 км/ч существующими тяговыми средствами, например тепловозами ТЭП60. Расчеты показывают, что для этого потребуется мощность около 10 тыс. л. с., т. е. необходимо будет в голову поезда поставить 4 секции тепловозов. Это значит, что при весе собственно поезда 800—900 т вес локомотивов будет равен примерно 500 т. Иными словами, около 40% мощности будет затрачиваться не на полезную перевозку пассажиров, а на перемещение самих локомотивов. Если теперь подсчитать к. п. д. тепловозов, но не на валу двигателя или на ободе колес, как это обычно делается, а на автосцепке (т. е. за вычетом расхода энергии на собственное передвижение), то получится не привычная цифра 26—28%, а только 14—15%.

Итак, видно, что при достаточно высоких скоростях движения огромную роль в энергетике и экономике перевозок приобретает вес энергооборудования — транспортных силовых установок в целом. Но вес энергоустановок в высокоскоростных пассажирских поездах имеет и еще одно значение. Сосредоточение всей силовой установки на одном экипаже локомотива приводит к тому, что в существующих условиях сравнительно невысоких мощностей локомотив оказывается значительно тяжелее вагонов — нагрузка на ось у него примерно в 1,5 раза выше вагонной и составляет около 21—22 Т на ось. Пропуск же подвижного состава с такими нагрузками на ось со скоростями порядка 200 км/ч практически исключен на существующих железнодорожных линиях (характер верхнего строения пути, радиус кривых, стрелочные переводы и т. д.). Задача решается либо капитальной переделкой пути, либо постройкой новых специализированных линий.

Таким образом, с позиций тяги вырисовываются две важных особенности перехода к высокоскоростному пассажирскому движению на железнодорожном транспорте. Во-первых, потребность в очень высоких мощностях (10—12 тыс. л. с.) делает совершенно нерентабельным использование для этих целей автономной дизельной тяги. Во-вторых, применение в скоростных поездах локомотивов с большими нагрузками на оси (тепловозы, электровозы, газотурбовозы) в большинстве случаев требует серьезных капиталовложений в реконструкцию верхнего строения пути.

Но каковы же пути решения этой проблемы? Общепризнанным сейчас является переход при скоростном движении к моторвагонной тяге. Напомним, что в отличие от локомотивной тяги, где силовая установка локализирована в рамках одного или нескольких локомотивов, в моторвагонной силовая установка составляет единое целое со всем подвижным составом. Это значит, что элементы силовой установки (двигатель, передача, запасы топлива) могут быть равномерно распределены по осям поезда для достижения минимальных осевых нагрузок. В электропоездах в состав включается несколько моторных вагонов; при автономной тяге возможно как размещение ряда силовых установок с работой по системе многих единиц, так и централизованное размещение одного или двух мощных двигателей с передачей энергии большому числу обмоторенных осей поезда.

Однако и при моторвагонной тяге не теряет остроты вопрос о весе и габаритах энергетического оборудования. Так, в проектируемых в настоящее время скоростных электросекциях вес электрических машин и вспомогательного оборудования составляет около 30% общего веса поезда; большие габариты тяговых двигателей обусловливают повышенное аэродинамическое сопротивление экипажной части поезда. Большой вес и габариты силовой установки не позволяют проектировщикам по-новому решить задачи конструирования кузова и экипажной части в направлении сокращения веса, улучшения аэродинамических характеристик.

Вот почему при решении проблемы высокоскоростного пассажирского движения практически во всех высокоразвитых капиталистических странах — в США, в Англии, во Франции, в Канаде и даже в Японии, где, как известно, работает первая высокоскоростная электрифицированная дорога, — очень большое внимание уделяется созданию и освоению турбопоездов — автономных моторвагонных поездов с газовыми турбинами в качестве первичных двигателей. Как мы увидим ниже, такой путь приводит к новым весьма эффективным решениям. Малый вес и габариты газотурбинных силовых установок дают возможность применить новые облегченные конструкции остальных элементов и агрегатов поезда, создать подвижной состав с малой нагрузкой на оси, малым весом и аэродинамическим сопротивлением.

Необходимо остановиться еще на одной стороне высокоскоростного движения, имеющей непосредственную связь с вопросами внедрения газотурбинной тяги.

Ранее уже говорилось о том, что особенностью эксплуатации тяговых средств на железнодорожном транспорте является резко-переменный режим работы. Это происходит вследствие частых сбросов и приемов нагрузки (подходы к станциям, сигналам автоблокировки и т. д.), но главным фактором является переменный профиль участков — непрерывное чередование подъемов, уклонов, площадок, кривых, т. е. элементов с существенно различным сопротивлением движению.

В обычной эксплуатации эти факторы приводят к резкому снижению использования мощности локомотивов, значительной доле времени работы двигателей на частичных нагрузках и холостом ходу. Именно поэтому для газотурбовозов ставится вопрос о необходимости создания специального локомотивного ГТД, имеющего не только высокий к. п. д. на номинальном режиме, но и стабильный на долевых мощностях. Напомним, что весовые характеристики двигателя для мощных газотурбовозов хотя и достаточно важны, но не имеют решающего значения.

Высокоскоростное движение изменяет картину эксплуатационных режимов. Сокращается число стоянок поезда, применение многозначной сигнализации уменьшает вероятность задержки у сигналов. Но главное в другом — все менее и менее ощущается профиль пути — основную роль приобретает воздушное аэродинамическое сопротивление. Это значит, что с переходом к скоростям движения 180—250 км/ч и более коэффициент использования мощности силовых установок поезда приближается к единице, а отсюда пропадает острота требований к всережимности двигателя, уступая место требованию малого веса и габаритов. А этим требованиям, как известно, в наибольшей мере отвечают авиационные ГТД. Вот почему при создании турбопоезда идут по наиболее простому и дешевому пути — использованию серийных авиационных двигателей.

Принципиальные схемы силовых установок турбопоездов

Сейчас еще рано говорить о каких-либо установившихся принципах построения схем и конструкций турбопоезда. Однако, опираясь на некоторый имеющийся опыт и теоретические исследования в этой области, можно сформулировать ряд направлений решения этой проблемы.

Ориентация на авиационные двигатели предопределяет сравнительно узкий круг схем машин — одно- или двухвальные ГТД без теплотехнических мероприятий. Принципиально возможно сочетание ГТД с электрической передачей постоянного тока либо с гидромеханической. Но, поскольку эти решения нельзя рассматривать как общие, мы далее сосредоточим внимание лишь на схемах с «жесткими» передачами.

Электрическая передача, с одной стороны, является достаточно сложной, так как в непосредственной связи с двигателем находится синхронный генератор и целый комплекс вспомогательных машин и агрегатов; с другой стороны, обладает важным свойством передачи энергии на неограниченные расстояния. В силу этого энергоустановки турбопоездов с такой передачей в наибольшей мере тяготеют к схеме: два или три достаточно мощных газотурбинных двигателя с высокочастотными генераторами переменного тока, расположенные в концевых (два) или в концевых и одном среднем (три) моторных вагонах (тяговыми электродвигателями обмоторивается необходимое число осей в пределах всего поезда). Такие силовые установки позволяют реализовать очень высокие мощности, гибки в управлении, могут обеспечить необходимый сцепной вес поезда, играющий существенную роль при высоких скоростях. Однако в этих условиях достаточно трудной задачей является получение малых нагрузок на оси моторных вагонов, передача имеет сравнительно низкий к. п. д. (0,8—0,85), для получения высоких ускорений при трогании необходимо двухпозиционное регулирование силы тяги и форсирование асинхронных двигателей при очень малых оборотах.

Механическая передача чрезвычайно привлекает к себе малым весом, простотой, высоким к. п. д. (0,9—0,95), однако ее применение выдвигает ряд сложных задач и не всегда может оказаться целесообразным. Конструктивное оформление такой передачи во многом зависит от характеристик первичного двигателя и его расположения в моторном вагоне. Уровень оборотов вала тяговой турбины определяет передаточное число, а следовательно, габариты и вес понижающего редуктора; тяговые качества турбины являются решающими в вопросе выбора числа ступеней скорости, а также конструкции реверс-редуктора.

Следует различать две принципиально различные компоновки турбины и механической передачи: с крышевым расположением двигателя и вертикальным карданным валом и с нижним расположением двигателя непосредственно у рамы вагона или на тележке.

При расположении ГТД на крыше наиболее просто решаются процессы всасывания в компрессор достаточно чистого воздуха, удаления из турбины отработавших газов, шумоглушения и т. д. Вместе с тем при таком решении механическая передача оказывается весьма сложной и число силовых установок в турбопоезде ограничено двумя или тремя, т. е. имеет место вариант, близкий к локомотивному, причем число сцепных осей в поезде может оказаться недостаточным.

Подвагонное, в частности на тележках, расположение двигателей позволяет создать хорошие условия рассредоточения силовых установок по поезду, упрощает передачу и дает возможность путем соответствующего регулирования в системе многих единиц максимально использовать мощность первичных двигателей. Одновременно облегчается доступ к оборудованию. Наиболее серьезной в этом случае является задача организации воздухогазообмена двигателя.

Конечно, дробление силовых установок имеет разумный предел и по экономическим, и по техническим соображениям. Очевидна нецелесообразность установки двигателей у всех или даже у большинства тележек поезда. Поэтому в смысле обеспечения сцепного веса турбопоезда механическая передача существенно уступает электрической.

Очень важным вопросом в создании турбопоездов является энергетическое обеспечение вспомогательных нужд поезда (торможение, отопление, кондиционирование, освещение и т. д.). Здесь также нет каких-либо признанных рекомендаций, однако о ряде необычных решений можно говорить уже сегодня. В частности, в качестве второй тормозной системы поезда может быть с успехом использовано газодинамическое торможение, когда свободная тяговая турбина работает в компрессорных режимах. Весьма эффективным может оказаться использование тепла уходящих из турбины газов для отопления поезда, а также включение кондиционеров в силовой контур основных двигателей.

Можно с уверенностью сказать, что исследовательские и конструкторские изыскания дадут еще много высокоэффективных решений в области силовых установок турбопоездов.

Турбопоезд ЦНИИ МПС

В 1962 г. ЦНИИ МПС впервые была выдвинута идея о целесообразности создания турбопоездов. Одновременно была высказана мысль о возможности осуществления транспортных силовых установок на основе многовальных газотурбинных двигателей и электрической передачи переменного тока. В целях исследования рабочего процесса подобной силовой установки, особенно переходных процессов при трогании с места, разгоне, переключении полюсов и т. д., было решено создать экспериментальный турбовагон. В 1964 г. силами института на основе кузова и экипажной части дизель-поезда немецких железных дорог такой турбовагон был построен. Силовая установка состояла из авиационного двухвального двигателя мощностью 350 л. с. оборотами на выходе свободной газовой турбины 24 000 об/мин и серийно выпускаемых электрических машин переменного тока: синхронного генератора (номинальное число оборотов 1 500 об/мин, частота 50 гц) и короткозамкнутых тяговых двигателей.

На первом этапе создания турбовагона не предъявлялись какие-либо специальные требования к двигателю и электрическим машинам, и тем не менее результаты исследований оказались благоприятными. Эксплуатация турбовагона на экспериментальном кольце института подтвердила реальность использования в качестве тяговых машин бесколлекторных двигателей и принципиальную возможность получения вполне удовлетворительных тяговых характеристик. Вместе с тем возникла очевидная необходимость модернизации силовой установки турбовагона.

Необходим был более мощный двигатель с лучшими тяговыми характеристиками свободной турбины (большее соотношение вращающих моментов) и, что главное, переход к высокооборотным, высокочастотным, а следовательно, малогабаритным и легким электрическим машинам.

Рис. 60. Турбопоезд ЦНИИ МПС

К концу 1970 г. было закончено оборудование двух моторных вагонов (рис. 60), которые уже являются основой шестивагонного турбопоезда. Газотурбинные двигатели заменены более мощными (900 л. с.) с тяговой турбиной, дающей соотношение граничных моментов 2,8. Специально для турбопоезда были спроектированы и изготовлены синхронные генераторы с максимальным числом оборотов 6 000 об/мин и частотой переменного тока до 200 гц. Габариты генератора стали соизмеримы с размерами двигателя, что позволило принципиально изменить размещение силовой установки. Если в первом варианте турбовагона двигатель, генератор, редуктор и вспомогательное оборудование размещались, как и в дизель-поезде, внутри вагона, то при новой схеме все эти агрегаты удалось разместить на крыше вагона (рис. 61), полностью освободив помещение моторного вагона, за исключением, конечно, кабины машиниста. Всасывание воздуха в компрессор осуществляется через центральное отверстие сигарообразного кожуха, окружающего верхнюю осветительную фару; выпуск газов происходит через правую стенку кожуха, что является однако вынужденным решением в соответствии с конструкцией выхлопного патрубка турбины.

Рис. 61. Схема расположения оборудования на турбопоезде ЦНИИ МПС:

1 — газотурбинный двигатель; 2 — редуктор: 3 — генератор переменного тока; 4 — тормозные сопротивления; 5 — тяговые асинхронные электродвигатели; 6 — осевые редукторы; 7 — топливный бак; 8 — аккумуляторная батарея; 9 — пульт управления

Рис. 62. Схема силовой установки турбопоезда ЦНИИ МПС:

К — компрессор; ТК — компрессорная турбина; ТТ — тяговая турбина; КС — камера сгорания; СГ — синхронный генератор; ТД — тяговые асинхронные двигатели; ВГ — вспомогательный генератор (возбудитель и стартер); АБ — аккумуляторная батарея; Р — реверс; ПП — переключатель полюсов

Схема силовой установки турбопоезда приведена на рис. 62. Двухвальный газотурбинный двигатель валом свободной тяговой турбины через понижающий редуктор соединен с синхронным генератором трехфазного переменного тока, валом турбокомпрессора — со вспомогательным генератором. Запуск двигателя стартерный: питаемый от аккумуляторной батареи вспомогательный генератор, работая на режиме двигателя, раскручивает турбокомпрессор до 12 000 об/мин (максимальное число оборотов 25 000 об/мин), когда двигатель переходит на режим холостого хода. С этого момента вспомогательный генератор начинает питать обмотки возбуждения основного генератора и цепи вспомогательных нужд. Прорабатывается вопрос о создании и установке специального инвертора для питания вспомогательных потребителей от главного генератора. Для гашения мощности и возможности осуществления электрического торможения в схеме предусмотрены специальные тормозные сопротивления. Весь скоростной диапазон работы асинхронных двигателей разбит на две области: в первой — их обмотки включены по схеме «треугольник», во второй обмотки переключаются с «треугольника» на «звезду» с одновременным изменением числа пар полюсов.

Испытания турбопоезда на экспериментальном кольце показали работоспособность схем и систем, гибкость управления при работе одной и двух силовых установок. Исследования продолжаются в направлении улучшения тяговых характеристик асинхронных двигателей в момент трогания, шумоглушения в служебном помещении, питания вспомогательных нужд поезда и решения других технических задач, которые необходимы будут при переходе к промышленному производству турбопоездов.

Зарубежные турбопоезда

За последние пять лет в ряде высокоразвитых капиталистических стран проведен широкий комплекс работ по проектированию и внедрению на железнодорожном транспорте нового вида подвижного состава — турбопоездов. Первые работы в этом направлении были начаты корпорацией Юнайтед Айркрафт в США и ее филиалом в Канаде. Были созданы одинаковые по внешнему виду, а также по конструкции экипажной и ходовых частей трехвагонные турбопоезда (рис. 63) для линии Бостон—Вашингтон (северо-восточный коридор в США) и семивагонные — для Канадских национальных железных дорог. Поезда имеют обтекаемую форму с плавными обводами, гладкой облицовкой, окна выполнены заподлицо с обшивкой, межвагонные соединения оборудованы диафрагмами. Концевые моторные вагоны каждой секции имеют панорамные салоны. Моторные вагоны опираются на одну двухосную ведущую тележку и одну одноосную — в месте сочленения с прицепным вагоном (рис. 64). Все прицепные вагоны в местах стыкования опираются на одинаковые одноосные тележки. Для снижения веса поезда его вагоны выполнены из алюминия со шпангоутной несущей конструкцией кузова. Однако, несмотря на облегченную конструкцию вагонов, в связи с малым числом осей поезда, нагрузка от оси на рельс у турбопоездов достаточно велика — 16—18 Т.

Вагоны турбопоездов снабжены системой маятникового подвешивания. Такая система обеспечивает при прохождении кривых наклон оси кузова вагона внутрь кривой на угол до 3°. В сочетании с пониженным центром тяжести (на 254 мм) это обеспечивает повышение скорости прохождения кривых.

В американских турбопоездах силовая установка каждого моторного вагона состоит из трех авиационных газотурбинных двигателей и механической передачи к ведущим осям. Газотурбинные двигатели двухвальные, мощностью 455 л. с. с осецентробежным компрессором (3 ступени осевые и 1 центробежная); максимальная температура газов перед турбиной 850°C. Валы тяговых турбин присоединены к понижающему редуктору. Поперечные валы от этих редукторов и продольный вал тягового электродвигателя (предназначен для движения турбопоезда на электрифицированных участках и тоннелях со скоростью до 80 км/ч) идут в центральный объединительный редуктор, из которого в свою очередь выходят два вала к двухступенчатым осевым редукторам ведущей тележки. Турбопоезд имеет один газотурбинный двигатель для вспомогательных нужд. Все двигатели расположены под рамами моторных вагонов. Турбопоезда Юнайтед Айркрафт оборудованы системой кондиционирования воздуха авиационного типа. Уровень шума силовой установки 95 дб; внутри салона он составляет только 75 дб, что позволяет пассажирам находиться в вагоне без переутомления 8 ч.

Рис. 63. Турбопоезд корпорации Юнайтед Айркрафт США

Рис. 64. Поперечный разрез семивагонного турбопоезда

Первые два трехвагонных турбопоезда были построены летом 1967 г. и прошли испытания на участке близ Нью-Джерси. Во время испытаний была достигнута конструкционная скорость 257 км/ч. В настоящее время турбопоезда эксплуатируются между Нью-Йорком и Бостоном. Намечено на этом участке использовать восьмивагонные турбопоезда, а между Нью-Йорком и Филадельфией — четырехвагонные.

Силовая установка канадских семивагонных турбопоездов отличается от американской. На семивагонном турбопоезде установлены пять газотурбинных двигателей: четыре для тяги и один для привода электрического генератора переменного тока, питающего вспомогательные системы поезда (освещение, кондиционирование, цепи управления, оборудование вагона-ресторана и т. д.). Силовая установка каждого моторного вагона состоит из двух двухвальных двигателей мощностью 400 л. с. каждый (вес 115 кг) и механической передачи к осям моторной тележки. Двигатели работают на дизельном топливе, и надежный запуск обеспечивается при температурах наружного воздуха до −50°C; полная мощность достигается через 30 сек после пуска. Всасывающая система объединена с соответствующей системой кондиционирования — забор воздуха осуществляется через фильтры-глушители, расположенные в боковых стенках вагонов. Отработавшие газы удаляются через крышу панорамного купола.

Механическая передача включает в себя главный суммирующий редуктор, карданные валы и осевые редукторы. Силовая установка и все вспомогательное оборудование размещаются над ведущей двухосной тележкой в специальном отсеке, находящемся под панорамным салоном моторного вагона.

В настоящее время пять семивагонных турбопоездов эксплуатируются на линии Монреаль—Торонто. Реализация расчетной скорости 200 км/ч оказалась невозможной по состоянию пути, и время хода на расстоянии 540 км — 3 ч 59 мин, что соответствует средней скорости движения 135 км/ч. Тяговая турбина двигателей специально не проектировалась, в силу чего тяга при трогании с места была невысокой и не удалось реализовать хороших показателей по разгону поезда — скорость 200 км/ч достигается только через 30 км пути. Уже имеющиеся показатели работы турбопоездов настолько благоприятны, что правление канадских железных дорог рассматривает вопрос о продлении тягового участка, обслуживаемого турбопоездами, до Квебека (900 км).

В США проблемой использования турбопоездов в скоростном пассажирском движении также занимается вагоностроительная фирма Бадд. Эта фирма производит дизель-поезда и считает дизель-генераторное оборудование дешевым по капитальным затратам, но требующим дорогостоящего обслуживания и ремонта. Газотурбинные же установки, по мнению фирмы, обладают высокими удельными мощностями, большой надежностью и низкой стоимостью обслуживания.

Разработанный фирмой Бадд в содружестве с авиационной и машиностроительной компаниями турбопоезд включает в себя от двух до 11 вагонов. Головные вагоны выполняются с панорамными обзорными салонами, вмещающими 50 пассажиров; кабина машиниста располагается ниже уровня купола салона. Вагоны выполнены из нержавеющей стали с торцовыми стенками из стеклопластика. По проекту в каждом вагоне поезда устанавливаются двухвальные газотурбинные двигатели типа 831‑50 мощностью 460 л. с., имеющие двухступенчатый центробежный компрессор, противоточную кольцевую камеру сгорания и трехступенчатую газовую турбину. Степень повышения давления при сжатии 6,5, максимальная температура газов перед турбиной 875°C. Конструкция двигателя допускает без сложных переделок установку вращающегося или неподвижного регенератора.

Для экспериментальной отработки ряда узлов турбопоездов фирмой Бадд на базе опытного вагона Пионер-111 создана четырехосная турбомотриса-лаборатория с двумя независимыми силовыми установками. Каждая силовая установка включает в себя одновальный газотурбинный двигатель и гидромеханическую передачу и смонтирована под полом турбомотрисы на специальной раме, которая в свою очередь при помощи резиновых амортизаторов подвешивается к раме вагона. Забор воздуха для двигателей осуществляется через боковые стены вагона, а выпуск газов — через крышу. Соответствующие коллекторы проходят через пол и прилегают к боковым стенкам вагонов. ГТД с помощью понижающего редуктора, карданных валов и многодисковой муфты сцепления передают вращающий момент гидротрансформатору и двухступенчатой коробке скоростей с реверс-редуктором. Такая система позволяет иметь шесть ступеней скорости и достигать высоких ускорений, что очень важно при работе с частыми установками. От гидротрансформатора приводится по вращение вспомогательный электрогенератор трехфазного тока.

Турбомотриса прошла широкий комплекс испытаний на опытном участке железной дороги Лонг-Айленд протяженностью 35 км. Была достигнута максимальная скорость 154 км/ч; реализовано среднее ускорение 0,45 м/сек² при работе с одним двигателем и 0,88 м/сек² при работе с двумя. Весьма интересно, что уровень шума в салоне и снаружи вагона при работающих двигателях ниже, чем у вагонов с дизель-генераторными установками. Фирмой Бадд разработан проект двухвагонного турбопоезда с теми же ГТД, но с электрической передачей постоянного тока с целью использования последней на электрифицированных линиях с питанием от третьего рельса.

В Западной Европе наиболее интенсивно работы по турбопоездам развернуты во Франции.

Первые французские исследования начались с создания экспериментального двухвагонного турбопоезда на базе серийного дизель-поезда. Силовая установка турбопоезда состоит из двухвального газотурбинного двигателя Турмо III мощностью 450 л. с. и вся сосредоточена в моторном вагоне. Дизель размещен под полом и с помощью ступенчатого редуктора и карданных валов связан с передней тележкой. Компактный и легкий (около 297 кг) ГТД мог бы быть размещен и под полом вагона, однако его установили внутри машинного отсека с тем, чтобы иметь возможность изменять конструкцию всасывающих и выпускных патрубков и обеспечить доступ к двигателю при испытаниях. Тяговая турбина двигателя связана с тележкой простой механической передачей; муфта свободного хода включена в реверс-редуктор.

ГТД состоит из осецентробежного компрессора с первой сверхзвуковой осевой ступенью и второй — центробежной, кольцевой камеры сгорания и двухступенчатых компрессорной и тяговой турбин. Вначале система питания двигателя предусматривалась на двух топливах: авиационном керосине (запуск) и дизельном топливе. Однако после испытаний и некоторых конструктивных переделок от пускового топлива отказались. Большое внимание уделено шумоглушению. Забор воздуха осуществляется через защитные жалюзи с развитыми фильтрами; глушитель на выпуске газов имеет достаточно большое проходное сечение.

Испытания экспериментального турбопоезда начались в 1967 г. сначала на участке Ле Ман—Шато дю Луар, а затем на линии Париж—Шербур. Была достигнута максимальная скорость 236 км/ч при среднетехнических скоростях 135—140 км/ч.

Положительный опыт работы первого турбопоезда позволил французским дорогам в 1968 г. дать заказ на изготовление 10 четырехвагонных турбопоездов. Внешний вид нового поезда ETG показан на рис. 65. Турбопоезд включает в себя газотурбинный моторный вагон, прицепной вагон 1‑го класса, прицепной вагон 2‑го класса с рестораном самообслуживания и дизельный моторный вагон. В турбопоезде использованы те же ГТД, что и в экспериментальном, но передача несколько изменена. В связи с недостаточными ускорениями, полученными при прямой передаче, в схему введены гидротрансформатор и гидромуфта. Расположение оборудования в газотурбинном моторном вагоне показано на рис. 66.

Рис. 65. Французский турбопоезд ETG

Рис. 66. Расположение оборудования в моторном вагоне турбопоезда ETG:

1 — газотурбинный двигатель; 2 — воздушные фильтры; 3 — аккумуляторная батарея; 4 — электрорадиаторы; 5 — пульт управления; 6 — подвод воздуха; 7 — воздушные жалюзи; 8 — вентиляционные жалюзи; 9 — гидравлическая коробка передач; 10 — компрессор

Отличием новой силовой схемы является также и то, что регулирование мощности ГТД и дизеля осуществляется независимо из кабины управления любого моторного вагона: трогание поезда с места выполняется либо дизельным моторным вагоном, либо обоими моторными вагонами совместно. В 1970 г. все десять четырехвагонных турбопоездов были изготовлены и вступили в регулярную эксплуатацию на линии Париж—Шербур.

Развитием исследовательских работ во Франции явилось создание двух высокоскоростных турбовагонов серии RTG с ГТД Турмо III F мощностью 1 650 л. с. и двухступенчатой гидромеханической передачей, включающей шестеренчатую пару, обеспечивающую непосредственную передачу вращающего момента от двигателя к ведущим осям при скоростях движения 230—250 км/ч.

Французскими специалистами разработаны проекты пятивагонных и восьмивагонных турбопоездов специальной облегченной конструкции. Пятивагонный поезд, рассчитанный на максимальную скорость 260 км/ч; имеет два концевых моторных и три прицепных вагона. Вагоны поезда облегченной конструкции с нагрузкой на ось 15 Т, аэродинамически совершенной формы; система подвешивания маятникового типа. При работе таких поездов на линиях с ограниченными скоростями движения число прицепных вагонов может быть увеличено до шести. Силовая установка каждого моторного вагона состоит из двух ГТД типа Турмо III F общей мощностью 2 200 л. с., суммирующего понижающего редуктора и электрического генератора переменного тока. Последний через кремниевые выпрямители питает шесть тяговых электродвигателей, размещенных по два на каждой оси вагона. Ввод пяти- и восьмивагонных турбопоездов в регулярную эксплуатацию намечен на 1975 г.

В Англии работы по созданию турбопоездов были начаты специалистами Государственных железных дорог совместно с конструкторским бюро завода в Дерби в порядке решения проблемы пассажирских перевозок со скоростями 200—250 км/ч на существующем железнодорожном пути. Английский проект предполагает создание четырехвагонного турбопоезда облегченной конструкции (нагрузка от оси на рельс 11 Т) с вагонами обтекаемой формы из алюминиевых сплавов. В целях рассредоточения энергооборудования в двух концевых вагонах расположены пульты управления, а в двух промежуточных — двигатель, передача и вспомогательные приборы и агрегаты.

Важной конструктивной особенностью турбопоезда является подвешивание с гидравлическим приводом, обеспечивающим наклон кузова на угол до 9° в каждую сторону при прохождении кривых участков пути.

Силовая установка предполагается состоящей из двухвального ГТД фирмы Роллс-Ройс мощностью 1 500 л. с. и простейшей механической передачи: реверс-редуктора и карданных валов к обеим движущим осям тележки.

Инженерами научно-исследовательского института английских железных дорог в Дерби разработан проект восьмивагонного турбопоезда APT, оборудованного двумя двигателями «Роллс-Ройс» и механической передачей. Силовая установка в отличие от проекта четырехвагонного размещена внутри моторного вагона. Вспомогательные нужды поезда обеспечивают два электрических генератора с приводом от своих вспомогательных двигателей. Проработан вариант проекта с использованием на турбопоезде двухвального газотурбинного двигателя фирмы Лейланд. Этот двигатель имеет небольшой удельный вес (1,23 кг/л. с.) и очень малый удельный расход топлива — 179 г/л. с. ч.

Все английские турбопоезда предназначаются для обслуживания скоростного пассажирского движения между Лондоном и рядом крупных городов. В перспективе предполагается использование турбопоездов на скоростной магистрали между Лондоном и Парижем, которую предполагают проложить в тоннеле под Ла-Маншем. Ввод турбопоездов в регулярную службу в Англии ожидается в 1974 г.

На железных дорогах ФРГ намечается увеличение протяженности линий с максимальной скоростью движения пассажирских поездов до 200 км/ч. Наряду с электрификацией ведутся поиски по использованию турбопоездов. Для исследовательских целей пять вагонов дизель-поезда TEE решено переоборудовать в турбопоезд с силовой установкой на базе двухвального ГТД, изготовляемого по лицензии фирмы Дженерал-Электрик (США). Отмечается, что в случае положительного опыта будет осуществлена регулярная эксплуатация таких турбопоездов. Число прицепных вагонов возможно будет увеличено до восьми и в состав включен вагон, оборудованный дизельным двигателем. Железные дороги ФРГ планируют также создание моторных турбовагонов с двумя ГТД мощностью по 2 500 л. с. каждый. Это позволит создать поезд с общей мощностью силовой установки около 10 тыс. л. с.

Турбомотрисы

Автомотрисами, как известно, называют самодвижущиеся железнодорожные вагоны, предназначенные для перевозки пассажиров. Их использование экономически целесообразно на второстепенных линиях с очень малыми пассажирскими потоками. В настоящее время, как правило, строятся автомотрисы с дизельным двигателем, однако газовая турбина и здесь имеет благоприятные перспективы.

Совершенно естественно, что энергооборудование автономного пассажирского вагона должно прежде всего отвечать требованиям наименьшего веса и габаритов, ибо степень использования помещения вагона под пассажирский салон должна быть максимальной. При этом следует учесть и то, что вагон должен обладать всем комплексом вспомогательного оборудования, требующего соответствующих площадей и объемов. Поэтому не случайно, что наряду с работами по турбопоездам в ряде стран проявляют интерес и к турбомотрисам, т. е. к автомотрисам с ГТД.

Мы уже говорили о турбомотрисе, построенной фирмой Бадд (США), хотя этот турбовагон, видимо, не предназначается для самостоятельных автономных пассажирских перевозок. Исследовательские работы по турбомотрисам проводят японские национальные железные дороги в связи с проблемой повышения скоростей движения на местных и пригородных линиях узкой колеи.

После широких испытаний двухвального вертолетного ГТД (лицензия фирмы Дженерал-Электрик) типа GT-58 мощностью 1 100 л. с. совместно с передачей, глушителями шума и другими узлами в начале 1968 г. была построена экспериментальная турбомотриса. Турбовагон строился на токийских локомотивостроительных заводах. Основная часть силового оборудования и передачи размещена под полом вагона. Вращающий момент с вала тяговой турбины передается движущим осям с помощью механической передачи, включающей в себя планетарный редуктор, систему свободного хода и реверс-редуктор.

Испытания турбовагона проводились в 1969 г., и по их результатам намечено проектирование и постройка серии турбомотрис со скоростью движения до 130 км/ч.

Если рассчитывать турбомотрисы на умеренные скорости движения (130—150 км/ч), а это, видимо, следует иметь в виду на второстепенных железнодорожных линиях, то уровень мощности их силовых установок должен быть небольшим. В этих условиях представляется целесообразным использование в турбомотрисах комбинированных ГТД со свободнопоршневыми генераторами газа.

Как показали исследования, проведенные в ЦНИИ МПС, использование высокоцикличного малогабаритного генератора газа в сочетании с многоступенчатой радиальной газовой турбиной позволяет разместить силовую установку непосредственно у тележки, предельно упростив передачу мощности от турбины к движущим осям. Совершенно естественно, что при этом достигается высокий к. п. д., простейшее реверсирование в радиальной турбине, комплексное решение взаимосвязи силового и вспомогательного энергооборудования.

Можно с уверенностью сказать, что в турбомотрисах открывается широкое поле деятельности выбора схемы и конструкции их силовых установок, что делает их достаточно перспективными и на отечественных железных дорогах.

Перспективы применения турбопоездов на железных дорогах СССР

В скоростном электропоезде, как мы уже отмечали, вес энергооборудования составляет примерно 30% веса поезда, в то время как в турбопоезде таких же перевозочных параметров около 5%. Не случайно поэтому, что именно в турбопоездах появились такие новые решения, как объединенные на два вагона двух- и односные тележки, размещение всего энергооборудования непосредственно у ведущих колес, маятниковое подвешивание вагона и т. п. С использованием газовой турбины представляется возможным осуществить гидродинамическое торможение поезда, соединение силовой установки с системой отопления и кондиционирования пассажирских вагонов, получение избыточного давления в салонах, предупреждающего попадание пыли и снижающего уровень проникающего шума. Зарубежные турбопоезда отличаются не только высокими скоростными и ходовыми качествами, но и большим комфортом.

Как известно, итоговым критерием при внедрении новой техники является экономическая эффективность. Что же можно ожидать от турбопоездов?

Повышение скоростей на железных дорогах — мероприятие чрезвычайно дорогое. Это — новый подвижной состав, новые системы энергоснабжения, сигнализации, связи, блокировки. Но, конечно, самое дорогое — это путь с достаточно мощным верхним строением, спрямленный в плане и профиле, и для безопасного движения поездов огражденный. Можно без преувеличения сказать, что там, где требуются наименьшие капиталовложения в реконструкцию пути, повышение скорости достигается с наименьшими затратами. Интересно, что расходы на сооружение скоростной линии Париж—Лион на турботяге ожидается примерно в 3 раза меньшими (на каждый километр пути), чем на электрифицированной линии Токио—Осака. Как мы видели выше, почти все построенные и проектируемые турбопоезда ориентированы на минимальные осевые нагрузки, с тем чтобы можно было их эксплуатировать на существующих линиях.

Но турботяга выгодна не только в этом отношении. Вот, что говорит зарубежный опыт.

Создание первого турбопоезда корпорацией Юнайтед Эйркрафт было закончено за один год, в то время как обычно в США и Канаде на постройку поезда новой конструкции затрачивается около двух лет. Несмотря на то, что установленные на турбопоездах авиационные двигатели еще серьезно уступают по тепловой экономичности тепловозным дизелям, за первый год эксплуатации турбопоездов в Канаде на линии Монреаль—Торонто эксплуатационные расходы сократились на 25—30% (пассажирские поезда); во Франции эти расходы оказались на уровне дизельной тяги.

Исследования, выполненные в ЦНИИ МПС совместно с Гипротранстэи показали, что, например, введение скоростных поездов с максимальной скоростью 200 км/ч на линии Москва—Минск—Брест при турботяге на 20—25% выгоднее, чем при электропоездах (не считая капитальных вложений в электрификацию), причем движение может быть осуществлено на имеющемся пути без серьезной ломки графика движения поездов. Использование тепловозной тяги в рассматриваемых условиях практически исключается.

Эффективность использования высокоскоростных турбопоездов на линиях автономной тяги очевидна. Однако было бы неправильно считать, что этим исчерпываются области их применения.

Прежде всего представляется далеко не лишенным смысла применение скоростных турбопоездов на уже электрифицированных линиях. Дело в том, что на ближайшую перспективу удельный вес скоростных пассажирских поездов в общем числе поездов на дорогах ожидается небольшим — 5—10%. А между тем каждый из таких поездов требует локального токосъема с контактной сети большой мощности. Следовательно, для пропуска нескольких пар скоростных поездов необходимо значительное усиление существующей системы энергоснабжения (контактная сеть, тяговые подстанции), на что нужно затратить большие капитальные вложения. Более выгодно, и это показывают экономические исследования, на таких линиях скоростное движение осуществить турбопоездами с их экипировкой в крупных узлах, имеющих вспомогательный и хозяйственный тепловозный парк.

Еще более рентабельным может оказаться использование турбопоездов на стыковых участках тепловозной и электрической тяги. Только турбопоезда позволяют в этих условиях решить задачу беспересадочной транзитной перевозки пассажиров; схемы силовых установок могут быть разнообразны вплоть до использования контактной сети при следовании по электрифицированным тяговым плечам. Именно так, как отмечалось выше, используются турбопоезда в США.

Анализ эксплуатационной работы дизель-поездов в пригородном и местном сообщении показывает их крайне невысокую эффективность. Если воспользоваться данными по обслуживанию, уходу и эксплуатации газотурбинных двигателей в гражданском воздушном флоте, то расчеты показывают, что турбопоезда могут быть существенно рентабельнее дизель-поездов в пригородном и местном сообщении при скоростях до 120—130 км/ч. Напомним, что к аналогичному выводу пришла американская вагоностроительная фирма Бадд.

Широкие исследования сфер применения и полигона использования турбопоездов на отечественных железных дорогах еще впереди. Однако уже сейчас можно с уверенностью сказать, что турбопоезда явятся дешевым и комфортабельным средством пассажирских перевозок.

Глава VI

Использование ГТД для технологических нужд железнодорожного транспорта

Газодинамическая очистка подвижного состава от остатков сыпучих грузов

Проблема очистки железнодорожных полувагонов от остатков сыпучих грузов чрезвычайно важна для транспорта.

Перевозка сыпучих грузов составляет более половины всего грузооборота. При выгрузке из полувагонов самотеком через нижние люки остается значительное количество груза, требующее специального удаления. При увлажненных, смерзающихся или вязких насыпных грузах остатки в полувагонах достигают 30% перевезенного груза.

Газодинамическая очистка полувагонов, т. е. очистка высоконапорной горячей газовой струей, является одним из возможных путей решения этой задачи.

В 1964 г. на станции Калзагай Западно-Сибирской дороги, а в последующие годы и на ряде других станций (г. Киров, ст. Карабас Казахской дороги) были смонтированы и испытаны установки для очистки полувагонов струей горячих газов, выходящих с большой скоростью из сопла турбореактивного двигателя. Схема такой установки приведена на рис. 67.

Рис. 67. Схема турбореактивной установки для очистки полувагонов от остатков сыпучих грузов:

1 — воздухозаборное устройство; 2 — турбореактивный двигатель; 3 — направляющее сопло; 4 — отводящие трубы для очистки ходовых тележек и выступающих частей рамы; 5 — отводящие трубы для очистки крышек люков; 6 — топливный бак

Реактивный двигатель 2 размещен в верхней части эстакады в помещении, имеющем специальное воздухозаборное устройство 1. Последнее расположено на высоте примерно 25 м над головкой рельсов и снабжено фильтром для предотвращения попадания пыли в компрессор двигателя. Двигатель установлен по оси пути с некоторым наклоном реактивного сопла вниз. Соплу 3 придана специальная форма, и оно максимально приближено к вагону и грузу. Для пропуска локомотива нижняя часть сопла поднимается с помощью лебедки. От неподвижной части сопла отведены оканчивающиеся соплами трубы (4 и 5), подводящие газовые струи к ходовым тележкам и крышкам люков.

Очистка полувагонов производится в такой последовательности. После основного процесса удаления груза полувагоны с открытыми крышками люков передвигаются маневровым локомотивом под турбореактивной установкой. Вначале под струи газов, вытекающих из сопел труб 6, попадают остатки грузов на открытых крышках люков, затем очистку полувагона производит главная центральная струя, вытекающая из основного сопла; заключительным этапом является обдувка и очистка ходовых тележек и выступающих частей рамы вагона.

Так как газовые струи имеют скорость несколько сотен метров в секунду и температуру 500—550°C, а расход газа может быть достаточно большим — 15—20 кг/сек, то очистка полувагонов производится очень быстро (30—40 сек на один полувагон).

Несмотря на большие расходы авиационного керосина, газодинамическая очистка, несомненно, эффективнее ручной и, видимо, может оказаться рентабельной при больших объемах переработки полувагонов, т. е. в пунктах массовой выгрузки сыпучих грузов.

Вместе с тем турбореактивная очистка не вышла за рамки нескольких опытных конструкций. Это произошло в связи с рядом существенных недостатков первых опытных конструкций и схем организации процесса очистки. Дело в том, что мощность реактивных струй авиационных ГТД настолько высока, что образуется колоссальное количество пыли; остатки сыпучего груза разбрасываются вокруг установки на несколько десятков гектаров (около 60 га) и являются потерянными, поскольку очевидна нерентабельность сбора, очистки и сортировки этих остатков. К. п. д. процесса очистки, видимо, очень низкий, так как основной газовый поток не имеет требуемого пристеночного характера течения; большая часть газов не участвует собственно в отрыве и удалении очагов слежавшегося или смерзшегося груза, а является пролетной, бесполезной.

Однако развитие этого метода можно представить себе на основе тщательного изучения природы и характера процессов очистки. Очевидна необходимость организации локальных пристеночных потоков с достаточно широким регулированием их интенсивности и термодинамических параметров. В итоге может оказаться целесообразным либо коренное изменение системы разводки и регулирования центрального газового потока турбореактивной установки, либо применение более мелких по гидравлической мощности и более экономичных источников газового потока, например СПГГ.

Применение турбореактивных установок для снегоуборки

На железнодорожном транспорте затрачиваются колоссальные средства и силы для борьбы со снежными заносами. На некоторых дорогах высота снежного покрова достигает нескольких метров — приходится прорывать буквально тоннели для пропуска поездов. В этих условиях высокоскоростная снегоочистка может быть оправдана даже при значительных энергетических затратах. Здесь также представляет интерес использование высоконагретых газовых струй.

В Силикатинском объединении железнодорожно-автомобильного хозяйства создана передвижная турбореактивная установка для очистки железнодорожных путей от снега. Турбореактивный двигатель смонтирован на двухосной железнодорожной платформе на специальной поворотной фундаментной плите, позволяющей регулировать положение сопла двигателя относительно верхнего строения пути. Двигатель закрыт кожухом. В средней части платформы размещена кабина, где находится пульт управления установкой.

При очистке путей от снега платформа с двигателем перемещается с помощью маневрового или поездного локомотива. Поворотом на необходимый угол овального (большая ось вала горизонтальна — поперек оси пути) реактивного сопла обеспечивается охват газовой струей заданной ширины верхнего строения пути.

Реактивная газовая струя, как мы уже знаем, является очень мощной и высокотемпературной, поэтому ее тепловое и механическое воздействие на толщу снега весьма эффективно. Она быстро растапливает снег и смерзшиеся массы снега, льда, балласта и просыпавшегося на путь сыпучего груза; поток газа очищает путь, стрелочные переводы, переезды не только от снега, но и от примерзших предметов. При соответствующей конструкции крепления двигателя и поворота сопла может быть достигнута одновременная очистка двух путей, что особенно важно на перегонах двухпутных участков. Скорость очистки в средних условиях достигает 10 км/ч.

Турбореактивная снегоочистительная установка, сконструированная и успешно работающая на Медногорском медно-серном комбинате, показана на рис. 68. Обращает на себя внимание достаточно рациональная форма выходного сопла, обеспечивающая широкий фронт снегоочистки.

Рис. 68. Турбореактивная снегоочистительная установка

Препятствием к широкому внедрению на железнодорожном транспорте турбореактивных снегоочистителей, как и в случае очистки вагонов, является слишком высокая тепловая и гидравлическая мощность газовой струи и ограниченные возможности регулирования этой мощности. Как показал опыт, полоса шириной около 50 м в каждую сторону от оси пути является небезопасной зоной при работе реактивного двигателя. Несмотря на эжекцию атмосферного воздуха, в центре струи сохраняются очень высокие температуры, в ряде случаев вредно влияющие на элементы верхнего строения пути.

Видимо, и здесь нужны серьезные исследования, с тем чтобы разумный и эффективный принцип газодинамической снегоочистки железнодорожных путей воплотить в рациональные конструктивные формы.

Маневрово-хозяйственные локомотивы

Многообразна и сложна работа железнодорожных станций и узлов: графиковая работа по пропуску товарных и пассажирских поездов, формирование и расформирование составов, погрузка и разгрузка вагонов, слив цистерн, ремонт путей, стрелочных переводов и станционных обустройств, а в ряде случаев и подвижного состава, очистка и уборка путей от мусора, снежных заносов и т. д. Важно, что подчас многие, если не все, из этих операций совмещены во времени, требуют для своего выполнения максимальной оперативности.

Маневровая и хозяйственная работа станций разобщена энергетически, т. е. осуществляется, как правило, различными машинами, агрегатами, устройствами. Так, несмотря на наличие мощных энергетических установок маневрового локомотивного парка, необходимы специальные пневматические сети для обдува стрелок, электрические сети или передвижные электростанции для путевого инструмента, снегоуборочные машины, установки для разогрева цистерн под сливом и т. д.

Естественно возникает мысль о необходимости максимальной концентрации энергоисточников хозяйственных и маневровых нужд — создании нечто вроде станционного комбайна. Первым шагом в этом направлении, по нашему мнению, являются маневрово-хозяйственные локомотивы, т. е. такие локомотивы, которые, помимо обычной маневровой работы, смогли бы быть источником энергоносителей для ряда хозяйственных нужд. Газовая турбина позволяет во многом решить эту задачу.

Рассмотрим маневровый локомотив, силовая установка которого состоит из свободнопоршневого генератора газа (СПГГ), газовой турбины и электрической передачи переменного тока. Уже сама по себе такая схема решает две задачи — мы имеем маневровый локомотив и передвижную электростанцию, дающую ток с широким диапазоном частот и напряжений. СПГГ — это источник сжатого воздуха. Отобранный непосредственно после поршневого компрессора воздух имеет давление 4—5 кГ/см² и температуру 100—120°C. Его можно с успехом использовать для обдува стрелочных переводов и путей, работы пневмоинструмента, для снегоуборки. Достаточно высокое давление сжатого в компрессорах СПГГ воздуха позволяет путем использования эжекционных систем в широком диапазоне регулировать общий расход воздуха и его температуру. Сжатый воздух высокой температуры (500—550°C) может отбираться из ресивера, расположенного между СПГГ и газовой турбиной. Этот воздух можно использовать для разогрева смерзшихся грузов и очистки полувагонов, разогрева цистерн при сливе высоковязких нефтепродуктов и т. п. При соответствующей конструкции и регулировании мощности газовых струй такой локомотив может выполнять роль самодвижущегося снегоочистителя.

Перечисленные вопросы не исчерпывают энергетические возможности подобного рода силовых установок. Нет сомнений в том, что научные и конструктивные проработки откроют новые комплексные решения в этой интересной и многообещающей проблеме.

Глава VII

Газовая турбина на железнодорожном транспорте будущего

Турбореактивная и турбовинтовая тяга

Уже сегодня имеются попытки использования на железнодорожном подвижном составе турбовинтовых и турбореактивных двигателей. Известно, что в 1966 г. в США был построен вагон, на крыше которого установили два авиационных турбореактивных двигателя. При испытаниях вагон развил скорость 280 км/ч. В 1969 г. объединением Аэротрайн во Франции создан моторный вагон с турбовинтовыми двигателями мощностью 1 200 л. с. В 1970 г. Калининский вагоностроительный завод совместно с конструкторским бюро генерального авиаконструктора А. С. Яковлева и Всесоюзным научно-исследовательским институтом вагоностроения построил турбовагон с двумя турбореактивными двигателями ЯК-40 (рис. 69).

Рис. 69. Вагон с реактивным двигателем Калининского вагоностроительного завода

Возникает естественный вопрос: эти машины — сегодняшний день железнодорожного транспорта или далекая перспектива?

Когда выше шла речь о транспортных железнодорожных силовых установках, то употреблялись термины: «двигатель», «передача», но никогда не упоминалось слово «движитель». Между тем движитель существует и играет далеко не последнюю роль. Если двигатель и передача создают, передают и трансформируют силу тяги и мощность, необходимые для движения поезда, то движитель непосредственно реализует их, заставляет транспортную машину двигаться относительно окружающей среды — земли и воздуха. На железнодорожном транспорте пока что единственным движителем является колесо. Именно сцепление колеса с рельсом обеспечивает реализацию силы тяги, является последним звеном в общей цепи преобразований энергии в локомотиве. К. п. д. колеса как движителя очень велик. Если пренебречь отдельными срывами сцепления колеса и рельса — боксованием, не представляющим собой систематического явления, то к. п. д. колеса-движителя можно считать равным единице.

Иначе обстоит дело при реактивной и винтовой тяге. Здесь сила тяги создается либо реактивной газовой струей, либо винтом. Применительно к железнодорожному транспорту это означает, что в поезде, включая и локомотив, и моторные вагоны, нет ведущих колес: все колеса воспринимают только вертикальную нагрузку, создавая механическое сопротивление движению. Следовательно, если раньше мы определяли к. п. д. силовой установки как произведение двух сомножителей — к.п.д. двигателя и передачи, полагая равным единице к. п. д. колеса, то теперь, вместо учета потерь в передаче, которой нет, необходимо ввести множитель — к. п. д. движителя.

К.п.д. реактивной тяги, как движителя η_R зависит от соотношения между скоростью движения v и скоростью истечения газа из реактивного сопла v_p:

Нетрудно видеть, что η_R = 1 только при v = v_p. В современных двигателях истечение газов из сопла происходит со сверхзвуковыми скоростями, вот почему так эффективна высокоскоростная реактивная авиация. Если учесть, что с повышением скорости движения возрастает эффект динамического торможения воздуха, поступающего в компрессор, повышающий к. п. д. собственно двигателя, то можно считать, что применение реактивной тяги на железнодорожном транспорте будет рентабельным лишь при скоростях движения поездов 400—500 км/ч.

В турбовинтовых двигателях газовая турбина имеет свободную мощность, равную примерно 75—90% полной располагаемой мощности газового потока, и эта мощность расходуется на винт. Остальная небольшая часть используется для создания дополнительной реактивной тяги за счет расширения газового потока в реактивном сопле. Таким образом, строго говоря, турбовинтовая тяга является комбинированной.

К. п. д. пропеллерного винта также не является постоянной величиной, а зависит от скорости движения. Так, теоретический к. п. д. пропеллера

где v — скорость движения транспортной машины;

w — скорость массы воздуха, отбрасываемой пропеллером.

Как видно, величина η_п приближается к единице только в том случае, когда w очень мала по сравнению с v или, наоборот, v очень велика по сравнению с w. Иначе говоря, с увеличением скорости движения v при том же значении w величина η_п неизменно возрастает.

Действительный к. п. д. пропеллера-винта оказывается зависит еще от величины окружной скорости вращения винта. С увеличением (от нуля) соотношения скорости движения v к окружной скорости u (т. е. v/u) к. п. д. винта вначале повышается, а затем начинает снижаться. Вот почему в авиации принято использовать винтовую тягу до скоростей около 700 км/ч, а при более высоких — реактивную. При наивыгоднейших соотношениях параметров и скоростей к. п. д. винтовой тяги находится на уровне 0,7—0,8. Следует учесть, что при размещении турбовинтовых двигателей над вагоном в пределах габарита подвижного состава условия работы винта значительно ухудшаются сравнительно с самолетом и к. п. д. в этом случае будет еще меньше.

Итак, применение турбовинтовой и турбореактивной тяги на железнодорожном транспорте не может рассматриваться в качестве ближайшей перспективы. Это станет реальным и необходимым лишь тогда, когда железнодорожное колесо исчерпает себя как движитель.

Турбопоезда на воздушной подушке

Железнодорожное колесо обладает максимально возможным к. п. д. при минимальном сопротивлении движению. Однако всему есть предел.

Хорошо известно, что коэффициент сцепления колеса и рельса с увеличением скоростей снижается. При обычных скоростях это еще не доставляет серьезных неприятностей. Однако при скоростях 200—250 км/ч нужно заботиться о необходимом сцепном весе пассажирского поезда. Исследования, проведенные в Японии, показали, что в поездах обычного типа при скорости около 340—350 км/ч наблюдается практически полная потеря сцепления колеса с рельсом.

Кроме того, усложняются вопросы, связанные с повышением динамической устойчивости локомотивов и вагонов, улучшением характеристик взаимодействия с верхним строением пути. В электроподвижном составе, помимо этого, наблюдается существенное снижение эффективности устойчивой совместной работы токосъемника и контактного провода, т. е. возникает проблема токосъема. Считается, что при скоростях 300 км/ч наступает ограничение по токосъему, исключающее возможность применения электротяги в привычном для нас понимании этого термина. Иными словами, это означает, что высокоскоростной железнодорожный транспорт будущего может мыслиться только на основе автономной тяги — с использованием независимых первичных преобразователей энергии. Если при этом учесть все возрастающие требования к весу и габаритам энергетического оборудования, то станет очевидным, что газовая турбина должна сыграть ведущую роль в решении этой проблемы. Отсюда следует, что не так уж далеки те области скоростей, при которых появляется необходимость в бесколесном подвижном составе нового типа.

В настоящее время считаются наиболее реальными две такие системы: воздушная подушка, где воздух нагнетается между верхним строением пути специальной конструкции и вагоном, в результате чего последний держится над уровнем земли¹, и магнитная подушка, где для поддержания подвижного состава над железнодорожным полотном используются силы магнитного отталкивания.

¹ Подробнее с этим вопросом можно познакомиться в популярной книге В. А. Дробинского «Поезд мчится по воздуху...», изд-во «Транспорт», 1970.

Рассмотрим эти бесколесные типы подвижного состава с позиции использования в них газотурбинных двигателей.

Для создания воздушной подушки требуются большие массы сжатого воздуха, которые можно получить лишь используя быстроходные высокооборотные вентиляторные установки. Это имеет прямую логическую связь с использованием газотурбинного привода. Воздушная и магнитная подушки почти полностью снимают механическое сопротивление движению, оставляя решающую роль за воздушным сопротивлением. И в этих условиях очевидна целесообразность применения в качестве тяговых средств турбовинтовых и турбореактивных двигателей, в наибольшей мере использующих динамический эффект высоких скоростей.

Во Франции объединение Аэротрайн в 1969 г. закончило постройку первого образца моторного вагона на воздушной подушке, названного «Орлеан 250‑80». Вагон, рассчитанный на 80 пассажиров, эксплуатируется на экспериментальной линии протяженностью 18 км в районе Орлеана со скоростями до 300 км/ч.

Кузов вагона построен из алюминиевого сплава и имеет обтекаемую форму. Для тяги используются два турбовинтовых двигателя мощностью 1 200 л. с. Вагон перемещается на шести воздушных подушках, размещенных симметрично с каждой стороны; еще шесть подушек осуществляют регулировку положения вагона относительно вертикального направляющего рельса. Воздух нагнетается двумя вентиляторами, приводимыми в движение газовой турбиной мощностью 500 л. с. Для движения на малых скоростях и на станциях вагон снабжен специальными резиновыми колесами, которые при нормальной эксплуатации убираются.

Кроме Франции, исследования в области подвижного состава на воздушной подушке ведутся также в Англии и США.

Японские железные дороги, как известно, изобилуют тоннелями. Опасаясь повышения в них температуры, загрязнения воздуха и особенно шума, создаваемого газовой турбиной, японцы пока отдают предпочтение сочетанию магнитной подушки с линейным двигателем.

Газовая турбина с линейным электродвигателем

Линейный электродвигатель был известен еще в середине прошлого столетия, однако только в последние годы к нему проявлен большой интерес, и это произошло именно в связи с поисками решений проблемы высокоскоростного движения на железнодорожном транспорте.

Линейный двигатель представляет собой как бы разрезанный и развернутый в сплошную ленту обычный асинхронный электродвигатель. Взаимодействие магнитных полей, которое обычно приводит к вращению ротора относительно неподвижного статора, в данном случае создает линейное тяговое усилие. Значит, если первичную обмотку линейного электродвигателя разместить на подвижном составе, а в качестве реактивного элемента использовать стальной ходовой рельс, то при пропуске через обмотку переменного тока она, а следовательно, и вагон будут перемещаться вдоль рельса. Первичную катушку и реактивный элемент можно поменять местами, т. е. катушку разместить на верхнем строении пути, а элемент — на вагоне. В принципиальном отношении эти системы идентичны, но, очевидно, что в конструктивном отношении они существенно между собой различаются. Во Франции, в Англии, США и в СССР работают над первым вариантом двигателей, в Японии — над вторым.

При использовании линейных двигателей на высокоскоростных железных дорогах для обеспечения требуемых тяговых качеств необходимо получение высокого уровня максимальной частоты тока двигателя и регулирование частот в широком диапазоне.

В условиях размещения первичной обмотки на подвижном составе обе эти задачи наиболее просто решаются при использовании в качестве первичного двигателя газовой турбины. Как мы уже знаем, сочетание газотурбинного двигателя, имеющего высокооборотную свободную турбину, с синхронным и многофазным генератором позволяет получить частоту до 200 гц и более, а тяговые свойства турбины обеспечивают необходимое частотное регулирование асинхронных двигателей. Все это в полной мере сохраняет силу и для линейных двигателей.

По расчетам французских специалистов в случае размещения первичной обмотки линейного электродвигателя на вагоне для получения скоростей движения 200 км/ч только катушка должна иметь вес 3—3,5 т; повышение же скорости до 400 км/ч повлечет за собой семикратное увеличение этого веса. Применение высокочастотных генераторов переменного тока с непосредственным (без дополнительных преобразовательных устройств) регулированием частоты — по-видимому, наиболее реальный и эффективный путь решения проблемы веса и габаритов силовой установки скоростного поезда.

В японском варианте, благодаря тому что первичная катушка двигателя размещена на верхнем строении пути, упрощается конструкция вагона, практически снимается проблема веса и питания электрооборудования. Однако совершенно ясно, что такая система является очень дорогой, так как требует больших капитальных вложений в специализированный путь.

В США проводятся работы по созданию турбовагона с линейным двигателем мощностью 2 500 л. с. (рис. 70). Максимальная скорость вагона предполагается 400 км/ч. Вагон снабжен двумя ГТД: основным и вспомогательным. ГТД мощностью 3 000 л. с. через понижающий редуктор вращает трехфазный генератор переменного тока, который питает тяговый линейный асинхронный двигатель. Реактивный рельс двигателя выполнен из алюминиевой полосы толщиной 6,3 мм и размещен внутри обычной рельсовой колеи, примерно на 400 мм выше головки рельса. Первичная обмотка двигателя находится в средней части вагона и охватывает алюминиевый рельс с обеих сторон с воздушным зазором 15,9 мм. Скорость двигателя регулируется изменением частоты переменного тока. Вспомогательный ГТД мощностью 200 л. с. обслуживает систему питания возбуждения генератора, обеспечивает запуск основного двигателя, зарядку батарей, подачу охлаждающего воздуха к электрическим машинам и т. д.

Рис. 70. Турбовагон с линейным двигателем:

1 — реактивный рельс; 2 — первичная обмотка асинхронного линейного двигателя; 3 — газотурбинный двигатель; 4 — редуктор; 5 — генератор переменного тока

Линейные электродвигатели предполагается устанавливать на экспериментальных турбопоездах французских железных дорог. Однако французские специалисты больший интерес проявляют к использованию линейных двигателей для торможения поезда, нежели для тяги.

Газовая турбина с магнитогидродинамическим генератором

Большое будущее энергетики — в непосредственном преобразовании тепловой энергии в электрическую и механическую. Широкое внедрение топливных элементов, магнитогидродинамических генераторов, солнечных электрогенераторов коренным образом изменит облик стационарных и транспортных энергетических силовых установок. Однако было бы неправильно думать, что рухнут наши представления о закономерностях превращения тепла в работу, о к. п. д. таких преобразований.

Тепловая энергия есть энергия неупорядоченного движения элементарных частиц, в то время как электрическая и механическая энергии — результат направленного, упорядоченного движения. Это значит, что даже при прямом превращении невозможен переход всей тепловой энергии в работу. Каков бы ни был путь и характер преобразования, нагреватель и холодильник являются и будут являться неотъемлемыми элементами этого процесса, а предельный к. п. д. ограничен для каждого данного интервала температур соответствующим к. п. д. цикла Карно. Возможность повышения к. п. д. и при непосредственном превращении ограничиваются закономерностями электродинамики, гидродинамики, жаропрочностью применяемых материалов. Правда, отсутствие движущих частей исключает механические потери, в ряде случаев представляется возможным детали из вещества заменить «деталями из поля» (магнитные стенки), что устраняет предел по жаропрочности материалов. Все это создает известные перспективы получения более высоких к. п. д. по сравнению с современными дизель-генераторами и турбогенераторами.

Магнитогидродинамическими называют тепловые электрогенераторы, действие которых основано на принципе электромагнитной индукции высокоскоростного потока плазмы. Горячие газы (плазма) сначала расширяются в сужающемся, а потом расширяющемся сопле и, таким образом, приобретают очень высокую скорость. Далее они поступают в трубу, расположенную перпендикулярно плоскости действия магнитного поля, образованного электромагнитом с полюсами, теплоизолированными от газа. При прохождении потока в магнитном поле происходит разделение электронов и положительных ионов, причем электроны направляются к электродам и отводятся ими в сеть, создавая электрический ток. Взаимодействие магнитного поля и получаемого электрического тока приводит к торможению несущего электроны газового потока. Теоретически около ¾ начальной кинетической энергии газа может быть превращено в электрическую энергию. На выходе из генератора газы имеют еще очень высокую скорость и температуру, поэтому очевидна целесообразность утилизации этой энергии. Наиболее естественно использовать для этих целей газовую турбину.

Рис. 71. Схема магнитогидродинамического генератора с газовой турбиной:

1 — компрессор; 2 — теплообменник; 3 — подвод горючего; 4 — ввод ионизирующей добавки; 5 — камера сгорания; 6 — сопло МГДГ; 7 — обмотка возбуждения; 8 — коллекторы; 9 — направление магнитного поля; 10 — диффузор; 11 — газовая турбина

На рис. 71 приведена одна из возможных схем установки с электродным магнитогидродинамическим генератором и использованием тепла отработавших газов в газовой турбине. Компрессор 1 сжимает атмосферный воздух до 10—12 кГ/см² и направляет его в теплообменник-регенератор 2. Далее нагретый воздух поступает в камеру сгорания 5, куда подводится горючее и ионизирующая добавка 4. На выходе из камеры ионизированный газ, нагретый до температуры 2200—2300°C, поступает в сопло 6 генератора. Вокруг сопла размещена обмотка возбуждения, коллекторы и электроды; магнитный поток идет перпендикулярно соплу, в направлении, показанном стрелками. В сопле газ расширяется практически до атмосферного давления и скорость его достигает 950—1000 м/сек; после генератора температура газа снижается до 1700—1750°C. Для того чтобы газ можно было далее использовать в турбине, нужно повысить его давление и снизить температуру. Газ пропускают через диффузор 10, где за счет снижения кинетической энергии потока, его давление повышается примерно в 2 раза (до 2 кГ/см²); далее, в регенеративном теплообменнике 2 температура газа снижается до 620—630°C. В таком состоянии газы поступают в газовую турбину 11; часть мощности турбины идет на привод компрессора, а часть — внешнему потребителю. Подобная установка при рассмотренных параметрах процесса без газовой турбины может обеспечить к. п. д. 44—45%, а с газовой турбиной — 51—52%; при более высоких параметрах по давлению и температуре перед соплом к. п. д. ожидают на уровне 55—60%.

Итак, если на железнодорожном транспорте получат развитие и внедрение силовые установки с магнитогидродинамическими генераторами, то есть все основания считать, что в их схемах и конструкции существенную роль будет играть газовая турбина.

Газовая турбина с атомным реактором

В послевоенные годы, когда атомная энергетика делала первые, но многообещающие шаги, наблюдался повышенный интерес к проблеме применения атомных силовых установок в различных отраслях промышленности и на транспорте. В конструкторских бюро, институтах, высших учебных заведениях в ряде стран, в том числе и в СССР, велись поисковые работы, создавались проекты, проводились технико-экономические расчеты. Было создано немало проектов атомных локомотивов, и, что весьма показательно, силовые установки всех их представляли собой комбинацию атомного реактора и газотурбинного двигателя. Это и понятно. Паротурбинный цикл едва ли перспективен, поскольку он требует либо громоздких конденсационных установок на локомотиве, либо при выпуске пара в атмосферу периодического водоснабжения, что лишает атомный локомотив его решающего преимущества — длительной безэкипировочной работы. Трудно представить себе и транспортную атомную установку с современным дизелем, так как здесь имеет место ярко выраженный внешний (по отношению к дизелю) подвод тепла. Уровень экономичности проектных атомовозов 50‑х годов составлял 15—16%, а стоимость 1 км пробега в 2,5—3 раза выше, чем у тепловозов. Не была решена проблема надежной биологической защиты и защиты от взрыва при аварии локомотива; большой вес реактора приводил к резкому утяжелению локомотивов, повышенным нагрузкам на оси. Все эти вопросы казались настолько серьезными, что проблема была отложена, как не имеющая перспективы, и вот уже много лет не слышно о попытках вновь возвратиться к идее атомовозов.

Среди научно-технических кругов, по-видимому, преобладающим является мнение о полной бесперспективности атомных локомотивов на железных дорогах СССР. Даже при широком развитии атомной энергетики считается целесообразным питание от атомных электростанций электрифицированных железных дорог. И все же нам кажется, что в будущем появятся газотурбинные атомные локомотивы.

На необъятных просторах Сибири с каждым годом увеличивается протяженность железных дорог. Это требует развитой деповской и экипировочной базы, т. е. значительных капитальных вложений. И очень может быть, в будущем окажется экономически более целесообразным создание транссибирских атомовозов, способных работать 1,5—2 года без набора топлива.

Уже сейчас технические предпосылки создания атомных газотурбовозов далеко не те, что были 15—20 лет назад. Практически решены проблемы биологической защиты и защиты при аварии. Применение теплоносителя, претерпевающего фазовые превращения, позволяет исключить потери мощности на сжатие воздуха или газа в компрессоре и резко поднять экономичность установки. Так, при температуре рабочего тела перед турбиной 600—650°C к. п. д. цикла достигает 25—30%. Вес двигателя с реактором может быть доведен до 30—40 т, что считается приемлемым для локомотивных условий.

Литература

Белоконь Н. И. Газотурбинные локомотивы. — «Железнодорожный транспорт», 1955, № 4.

Бартош Е. Т. Газотурбовозы. М., Трансжелдориздат, 1963.

Воронков Л. А. и др. Отечественные газотурбовозы. Машиностроение, 1971.

Дробинский В. А. Поезд мчится по воздуху... М., «Транспорт», 1970.

Кириллов И. И. Газовые турбины и газотурбинные установки. Т. I и II, М., Машгиз, 1956.

Левенталь Л. Я. Скоростные пассажирские турбопоезда. ЦНИИ ТЭИ МПС, 1970.

Синев И. М. и Смирнов Г. В. Транспорт и время. М., «Знание», 1968.

Уваров В. В. и др. Локомотивные газотурбинные установки. М., Машгиз, 1962.

Хазен М. М. Локомотивные газотурбинные установки. М., Трансжелдориздат, 1960.