История развития локомотивных энергетических установок

История развития Локомотивных энергетических установок

Создание паровой машины, как универсального теплового двигателя, во второй половине XVIII столетия явилось важной вехой в развитии практически всех отраслей промышленного производства и послужило основой для возможности появления железнодорожного транспорта.

Первые тепловые двигатели. Промышленное производство в XVIII веке повсеместно (в том числе и в Англии, которая опережала в развитии промышленности другие страны) было мануфактурным, то есть ручным, основывалось на мускульной силе человека и использовании для транспорта и тяжелых работ конной тяги. Ограниченные возможности человека и гужевого транспорта сдерживали развитие трудоемких отраслей производства (горной промышленности, металлургии, машиностроения, сухопутного транспорта).

Человечество давно искало пути преодоления этих естественных ограничений, использовало, где было возможно, энергию падающей воды в водяных колесах для производства, силу ветра в парусном флоте. Но эти источники энергии могли применяться локально, они не были универсальными.

История сохранила в виде одной из первых попыток получить механический двигатель идею голландского физика Христиана Гюйгенса — атмосферный поршневой двигатель, в котором поршень поднимался в цилиндре вверх за счет взрыва пороха под ним. Обратный ход поршня вниз (рабочий) совершался под действием на него атмосферного давления и собственной силы тяжести. Для возможности движения поршня вниз продукты сгорания под ним следовало охладить. Поэтому процесс движения протекал очень медленно. Описание этой машины, которая предлагалась в качестве грузоподъемного механизма, способного поднимать грузы через блок, было опубликовано Парижской академией наук в 1680 г. Реализация идеи даже в виде модели в то время встретила серьезные затруднения. Главными из них были трудности обеспечения плотности рабочего пространства цилиндра: его правильной геометрической формы и прилегания поршня к его стенкам. Технологии внутренней расточки металлических изделий тогда еще не существовало, литье же было неточным, и по размерам и по качеству чистоты поверхности. Клапаны для впуска воздуха и выпуска газов, сделанные из кожи, работали плохо. Гюйгенс пытался выравнивать внутреннюю поверхность цилиндра, обмазывая ее гипсом. Это, естественно, не могло быть надежным и уплотняло полость цилиндра лишь кратковременно. После первых испытаний модели работа над ней была прекращена.

Однако, несмотря на отсутствие положительного результата, работа X. Гюйгенса заслуживает быть отмеченной: в публикации о ней впервые была описана схема принципиального устройства поршневой машины со всеми ее атрибутами (цилиндр, поршень и клапаны), которые присутствуют и ныне в конструкции современных поршневых тепловых двигателей.

Ученик Гюйгенса, французский физик Дени Папен, изучавший в Англии вместе с Робертом Бойлем свойства водяного пара, в 1690 г. попытался сделать поршневой двигатель паровым. Поместив в цилиндре под поршнем вместо пороха какое-то количество воды, он разводил под днищем цилиндра огонь. Образовавшийся пар поднимал поршень вверх, после чего огонь следовало убрать, а цилиндр, как в машине Гюйгенса, охладить. Рабочий ход вниз аналогично должен был происходить под действием атмосферного давления. Однако очень медленный ход поршня (Папен пытался сделать стенки цилиндра, кроме днища, деревянными, типа бочки) и необходимость попеременного перемещения огня под днищем цилиндра делали этот проект тоже практически неосуществимым. Позднее Папен опубликовал брошюру, в которой указал на необходимость охлаждения воды под поршнем до конденсации пара и, таким образом, представил замкнутый цикл работы воды и пара в паросиловой энергетической установке (испарение воды — расширение пара — конденсация пара и т.д.).

При плавке металлов в XVII веке использовалась теплота сгорания древесного угля. Развитие металлургии приводило, таким образом, к вырубке и опустошению лесов, в особенности, в Англии с ее ограниченной территорией. В связи с этим в Англии последовал королевский запрет рубки леса. Он был вызван опасением, что леса не хватит для строительства судов. Ведь островная Англия — центр Британской империи — считалась «владычицей морей». Поэтому началась интенсивная добыча каменного угля. Его запасы в Англии были велики, но уголь находился на глубине, под водоносными слоями. Насосы, приводимые в движение лошадьми, число которых в отдельных шахтах доходило до 500, не могли справиться с откачиванием потоков воды в шахтах, которые между тем становились все глубже. В 1700 г. средняя глубина шахты составляла 120 м, в 1750 г. дошла до 180 м.

Таким образом, к созданию теплового двигателя приводила острая необходимость обеспечения привода для насосов, откачивающих воду в горной промышленности.

Томас Севери, владелец шахты в Англии, в 1698 г. получил патент на паровой насос для откачивания воды. Это был бес-поршневой двухклапанный двигатель, который работал циклически. Установка состояла из парового котла с топкой и отдельного резервуара, игравшего роль вакуумного насоса. Вакуум создавался в резервуаре, заполненном паром, вследствие его наружного охлаждения и конденсации пара. Тогда под действием атмосферного давления в резервуар по вертикальной трубе засасывалась вода из шахты. Установка работала, но насос поднимал воду лишь на небольшую высоту. На работу насосной установки затрачивалось очень много топлива, так как тепловая энергия пара при его конденсации терялась безвозвратно. К.п.д. системы оценивался несколькими десятыми долями процента. Но других средств не было, и такие установки (в 1702 г. Севери назвал свою машину «Друг рудокопа») стали распространяться в угледобывающей промышленности. Это была еще не паровая машина, а термомеханический насос, который работал циклически, но непрерывно.

Томас Ньюкомен — кузнец, изобретатель — в 1712 г. усовершенствовал идею Севери, отделив насос от собственно двигателя. Его система состояла из парового котла, парового цилиндра с поршнем (аналогичного машине Папена), который через рычажную передачу приводил в движение поршневой водяной насос. Первые два элемента системы уже представляли стационарную энергетическую установку: тепловой генератор (паровой котел) и тепловой двигатель, который работал по принципу пароатмосферной машины, поршень которой совершал один ход — вверх — под действием давления пара, а второй рабочий ход — вниз — под действием атмосферного давления после конденсации пара в цилиндре.

Это была первая работоспособная паросиловая установка, которая за счет внутренней энергии топлива выполняла механическую работу. Процесс проходил в два этапа, а именно: паровой котел преобразовывал потенциальную химическую энергию сжигаемого топлива в тепловую энергию водяного пара, а затем в поршневом двигателе последняя преобразовывалась в механическую работу движения поршня. Но эта система так же не была универсальной и могла использоваться именно только как мотор-насос. Для выполнения других работ насос поднимали выше, чтобы подаваемая им вода направлялась на водяное колесо, которое могло приводить во вращение другие потребители энергии. Это было связано с дополнительными потерями, сложно и малоэффективно.

Совершенствованием атмосферной машины Ньюкомена занимались многие изобретатели. Они вводили в нее одно усовершенствование за другим, и она скоро получила широкое распространение на шахтах. В 1725 г. была построена установка Ньюкомена с двумя параллельными цилиндрами, которые действовали попеременно, ускоряя работу и увеличивая вдвое производительность.

Таких установок в Англии было построено много, хотя энергетическая эффективность их продолжала оставаться весьма низкой, так как много теплоты терялось зря и, следовательно, расход топлива был по-прежнему очень большим. Шахтовладельцы даже ставили машины Ньюкомена непосредственно на штабелях извлекаемого из шахт угля, чтобы тратить меньше труда на его подачу в топку котла.

Известный российский изобретатель, шихтмейстер барнаульских заводов И.И. Ползунов в 1763 г., воспользовавшись идеей Ньюкомена, разработал проект пароатмосферной машины для привода кузнечных мехов, которая была построена и испытана спустя несколько лет.

Таким образом, техническое развитие горной промышленности и металлургического производства в середине XVIII века опиралось на стационарные пароатмосферные машины типа Севери и Ньюкомена, еще малоэффективные и громоздкие. Задача создания универсального теплового двигателя широкого применения смогла быть решена лишь в последней трети того столетия.

Паровая машина. Изобретателем или, правильнее, создателем паровой машины (поршневого парового двигателя) считают шотландца Джеймса Уатта (1736-1819). Он внес в работу паровой поршневой машины целый ряд принципиальных и оригинальных усовершенствований.

В 1763 г. Д. Уатт нашел важное решение, повышающее эффективность парового двигателя Ньюкомена: он ввел отдельный от цилиндра конденсатор, что существенно уменьшило потери теплоты и расход топлива, а, следовательно повысило к.п.д. машины. При конденсации пара в ограниченном объеме конденсатора цилиндр мог оставаться теплым, стало возможным его теплоизолировать, чтобы теплота не уходила в окружающую среду. Это изобретение и положило начало эпохе паровых машин.

Патент на машину простого действия был получен Уаттом в 1769 г. В 1782 г. Уатт получил второй патент на следующее техническое решение: использование расширения пара в цилиндре, что, в свою очередь, по крайней мере, еще вдвое снижало расход пара на единицу работы. В 1784 г. Джеймс Уатт разработал еще несколько важнейших технических решений: двойное действие пара в цилиндре (оба хода поршня стали рабочими), двухцилиндровая машина, обеспечивающая преодоление мертвых точек и более равномерное вращение вала, и, наконец, всем известный центробежный регулятор скорости вращения вала («регулятор Уатта»).

Все нововведения сделали паровую машину Уатта универсальным тепловым двигателем, который мог находить и находил применение во всех отраслях промышленности, мог быть применен и на транспортных средствах. К.п.д. этого двигателя по величине достигал уже порядка двух-трех процентов. Это очень мало, но это было значительно эффективнее всех существовавших до Уатта тепловых машин.

Поршневая паровая машина, основанная на возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре, явилась результатом работы многих изобретателей. Джеймс Уатт своим трудом и творчеством довел идею использования водяного пара в качестве рабочего тела теплового двигателя до технического совершенства и сделал паровую машину работоспособной и универсальной, что привело к интенсификации развития промышленности, подлинной технической революции, благодаря которой XIX век назвали «веком пара». Заслуги Джеймса Уатта в технике и энергетике настолько велики, что во всем мире единица измерения мощности была названа в его честь Watt [W] (по-русски принято читать и обозначать это наименование как «Ватт» [Вт]).

Паровоз - Локомотив с паросиловой энергетической установкой. Паровая машина нашла свое применение не только в стационарных условиях, она сделала возможным создание само-движущихся устройств. Благодаря паровой машине появились пароходы и паровозы.

Уже в 1802 г. Ричард Тревитик в Англии сделал попытку поставить паровой двигатель на колесную повозку, а годом спустя построил первый рельсовый Локомотив. С той поры уже почти 200 лет существуют локомотивы с паросиловой энергетической установкой — паровозы. Первые паровозы Тревитика и других изобретателей были весьма несовершенны и недостаточно работоспособны, так же как были несовершенны и энергетические установки Севери и Ньюкомена. И потребовались многолетние усилия другого выдающегося изобретателя Джорджа Стефенсона (1781-1848), с 1812 г. построившего не один десяток паровозов, чтобы довести идею Тревитика до рациональной и работоспособной конструкции. Построенный в 1829 г. для железной дороги Ливерпуль - Манчестер паровоз Стефенсона, имевший собственное имя Rocket (Ракета), показал миру невероятные по тому времени возможности локомотивной тяги по скорости движения на рельсах (более 50 км/ч). Через год был создан паровоз Planet (Планета), который уже содержал все или почти все признаки современных паровых локомотивов, которые своим появлением по существу создали Железнодорожный транспорт. Выдающийся отечественный специалист профессор Ю.В. Ломоносов в 1925 г. написал: «Успех «Ракеты» решил не только вопрос о тяге на Ливерпуль-Манчестерской ж.д., но и судьбу железных дорог вообще. Уже в 1830 году появилась «Планета» Стефенсона, имевшая все элементы современных паровозов, и с того времени, земной шар начал быстро покрываться рельсовой сетью».

Поскольку в данном курсе речь идет именно о локомотивных энергетических установках, надо отметить, что Стефенсон непосредственно связан и с возникновением самого термина «локомотив».

Слово «локомотив» появилось в XIX веке и было сначала определением. В 1825 г. в Англии вступила в действие первая железная дорога общего пользования Дарлингтон - Стоктон, построенная под руководством Джорджа Стефенсона. С этой дороги, считается, и началась история железнодорожного транспорта, как транспортной системы общего назначения.

На открытии дороги первый поезд вел паровоз Стефенсона, который он назвал «Locomotion». Это сложное, английское слово (существительное), имеющее два корня, можно приблизительно перевести на русский, как «самодвижение» или «передвижение» («перемена места»). Поэтому в последующем паровозы, в том числе и созданные другими изобретателями, в Англии стали называть «locomotive engines», где «locomotive» было прилагательным от «locomotion», то есть самодвижущиеся машины, так как «engine» означало «машина». Второе слово постепенно отпало, так как машины сами по себе могли быть и были разные, а прилагательное «locomotive» постепенно стало существительным и на всех языках мира стало обозначать самодвижущуюся железнодорожную машину, причем само собой подразумевался тот частный тип локомотива, который тогда был единственным, а именно локомотив с паросиловой энергетической установкой.

В России для этого типа локомотива сложилось наименование «паровоз». (Надо заметить, что это произошло не сразу. Первый отечественный паровоз, построенный в Нижнем Тагиле М.Е. Черепановым с помощью отца — Е.А. Черепанова — в 1833-1834 гг., в заводских документах назывался по-разному: «сухопутный пароход»; «пароходка» и даже «паровая телега».)

Паровозы в течение более чем ста лет были первым и единственным видом тяги на железных дорогах и обеспечивали развитие и работу всей мировой железнодорожной сети. Конструкция паровых машин паровозов совершенствовалась, их размеры и мощность постепенно повышались. И сегодня паровозы работают примерно на четверти общей протяженности железных дорог мира. В СССР постройка поездных паровозов была прекращена еще в 1956 г., но на дорогах СССР и России паровозы использовались в поездном движении до конца 80-х годов.

Трудности размещения мощных машин в ограниченных габаритах подвижного состава побуждали изобретателей искать пути преодоления этих ограничений. Одной из них была попытка французского инженера Хельмана, предпринятая еще в конце XIX века, применить на нескольких паровозах электрическую передачу между паровой машиной, размещенной в отдельной секции, и ведущими колесными парами.

Попытка была интересной, но малоэффективной. Дело в том, что выигрыш в к.п.д. для не ограниченного габаритом парового двигателя в значительной мере терялся из-за потерь в самой электрической передаче с ее двойным преобразованием энергии.

Паровая турбина. Энергетические установки с поршневыми паровыми машинами, тем не менее, сохраняли свои недостатки. Они оставались относительно тихоходными. Между тем промышленность и энергетика ощущали растущую потребность в быстроходных тепловых двигателях. На изготовление поршневых машин, особенно, для мощных тепловых электростанций расходовалось много металла. Неоднократные попытки снижения их веса и габаритов не давали положительных результатов. Требовалась разработка новых типов тепловых двигателей, более быстроходных, компактных и экономичных. Поэтому одновременно с совершенствованием паровых машин инженерная мысль работала над созданием лопаточных паровых турбин, использующих не только теплоту и давление пара, но и кинетическую энергию его потока.

Идея паровой турбины была известна давно, она высказывалась еще Героном Александрийским во II веке до нашей эры и ее схема часто приводится в школьных учебниках физики. Однако эта идея смогла быть реализована только в конце XIX века, «века пара».

Работоспособная активная паровая турбина была изобретена в 1883-1889 гг. шведским инженером Густавом де Лавалем (1845— 1913). Турбина первоначально предназначалась автором изобретения для привода быстроходных центрифуг (сепараторов).

Англичанин Чарльз Парсонс (1854-1931) практически в то же время (в 1884-1885 гг.) создал многоступенчатую реактивную паровую турбину, которая вскоре и стала основным типом паровых турбин с конца прошлого века. При использовании в современной энергетике, на электростанциях, где требуются двигатели очень большой мощности, такие турбины объединяют с генераторами электрической энергии на одном валу (в виде одного агрегата — турбогенератора).

Более высокий к.п.д. турбин привел к попыткам создания в различных странах опытных Локомотивов с паротурбинными установками — паротурбовозов, которые, однако, не получили распространения из-за неизбежной необходимости сложной передачи от вала скоростной турбины к сравнительно тихоходным колесным парам локомотива и дополнительным потерям, связанным с этим.

Двигатели внутреннего сгорания. Важнейшим недостатком паросиловых установок внешнего сгорания является необходимость передачи теплоты от первичного теплоносителя (дымовых газов) рабочему телу (водяному пару), значительно усложняющая энергетическую установку.

Паровой двигатель удовлетворял предприятия с непрерывным производственным процессом (горная, текстильная промышленность, энергетика). На тех же предприятиях, где машины использовались нерегулярно, они были нерентабельны из-за необходимости непрерывного поддержания в работоспособном состоянии котельной установки. Та же необходимость поддержания давления пара в котле при простое паровозов (так называемого «горячего» резерва) увеличивала на транспорте затраты топлива на перевозки.

Был необходим двигатель принципиально нового типа: без котла, с небольшим временем пуска, обеспечивающим оперативность работы.

Многие ученые, инженеры и изобретатели в XIX веке пытались создать более совершенный, чем паровая машина Джеймса Уатта, тепловой двигатель и получить на его основе более легкую и более дешевую энергетическую систему, чем паросиловая установка паровоза, чтобы получить возможность применить ее для наземного и водного транспорта. Рабочим телом такого двигателя не должен быть водяной пар.

Казалось бы, если направить дымовые газы прямо из топки котла (теплового генератора) непосредственно в цилиндр теплового двигателя, можно было бы использовать теплоту продуктов сгорания топлива для совершения работы движения поршня. Сама энергетическая установка в этом случае была бы значительно проще. Но в обычной схеме паросиловой установки внешнего сгорания невозможно получить работу от дымовых газов, так как они не имеют избыточного давления. Более того, их давление невелико (на паровозе даже ниже атмосферного — для обеспечения тяги в котле) при горении топлива в атмосферном воздухе и выбросе газов в атмосферу.

Первые двигатели внутреннего сгорания. Создатели первых двигателей внутреннего сгорания отталкивались от конструкции паровой машины, стремясь сделать паросиловую установку более компактной и экономичной. Самые объемные и массивные ее части — это топка и паровой котел, вырабатывающие сжатый пар для машины. Можно было бы заменить котел на резервуар с горючим газом, который можно было бы постепенно вводить в цилиндр и там сжигать. Давление продуктов сгорания на поршень может создавать тогда силу, аналогичную силе давления пара в цилиндре паровой машины.

Изобретатели стремились использовать идею X. Гюйгенса о сжигании топлива непосредственно в закрытом пространстве рабочего цилиндра двигателя.

Теоретической основой для создания такого двигателя мог служить идеальный термодинамический цикл процесса преобразования тепловой энергии в механическую работу, предложенный французским инженером Сади Карно в 1824 г.

Заменить пар в качестве рабочего тела было сложно. Для этого прежде всего необходимо было найти топливо, продукты сгорания которого могли обладать свойствами сжатого пара: однородностью, одинаковыми температурой и давлением во всем объеме цилиндра.

Одной из первых в истории создания двигателя внутреннего сгорания (д.в.с.) была попытка Роберта Стрита (Англия, 1794 г.) использовать жидкое топливо (спирт). Во Франции братья Ньепс в 1806 г. получили патент на двигатель с искусственным зажиганием, в котором в качестве горючего они предполагали использовать измельченное твердое топливо, в том числе, и каменный уголь. Однако 10 лет их работы не привели к положительному результату.

Затем в течение нескольких десятилетий последовал целый ряд попыток создать двигатели внутреннего сгорания на газовом топливе, так же не получившие практического применения.

Первыми более или менее работоспособными д.в.с. считаются двигатели, работавшие на светильном газе, которые создал Жан-Этьен Ленуар во Франции. Он получил патент в 1860 г. В его двухтактном двигателе, аналогичном по конструкции паровой машине (использовалось двойное действие поршня и золотниковое газораспределение), газ и воздух смешивались непосредственно в цилиндре (наполнение занимало примерно половину хода поршня), и зажигание смеси обеспечивалось электрической искрой от постороннего источника.

Маленькие двигатели Ленуара (их мощность составляла порядка 0,5-1 кВт) сразу завоевали большую популярность в Европе, в первую очередь, во Франции и Германии. Их строили даже в Англии. Они облегчали мелким предпринимателям возможность «машинизировать» свои кустарные ремесленные производства, так как устраняли необходимость дорогостоящих котельных. В 1863 г. Ленуар попытался установить свой двигатель на некоторое подобие повозки и даже проехал на ней около 20 км в окрестностях Парижа. В эксплуатации сразу же выявились два существенных недостатка этого двигателя: очень сильный шум, сопровождающий его работу, и такой большой расход газа, что эксплуатация двигателя обходилась иногда в три-четыре раза дороже использования паровой машины. К.п.д. двигателя оценивался на уровне 3%.

Хотя двигатели Ленуара, естественно, как всякая новинка, были не очень надежны, но именно Ленуару принадлежит заслуга распространения газовых двигателей внутреннего сгорания, как стационарных тепловых двигателей, не требующих громоздкой котельной установки, и привлечения к д.в.с. внимания специалистов в разных странах.

Этим двигателем заинтересовался, можно сказать, увлекся молодой немецкий изобретатель-самоучка, продавец бакалейной лавки из Кельна Николаус Аугуст Отто (1832-1891). Не имея никакого профессионального образования, он, тем не менее, долго и настойчиво пытался найти возможности повышения эффективности двигателей Ленуара. В 1866 г. ему удалось получить первый патент на усовершенствованный газовый двигатель. В 1867 г. маленький мотор Отто был показан на Всемирной Парижской выставке и получил золотую медаль, несмотря на то, что в экспозиции выставки было представлено еще не менее полутора десятков газовых двигателей разных изобретателей — моторчик Отто работал экономичнее всех других. Отто со своими партнерами организовал производство двигателей. Успеху фирмы способствовало приглашение двух талантливых немецких инженеров. Их имена известны и сегодня — это были Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. До сих пор в Германии существуют фирмы и автомобильные заводы, ими организованные.

Но еще ранее первых успехов Отто, в 1862 г. француз Альфонс Бо де Роша получил патент, в котором разработал четырехтактный цикл для осуществления процесса, предложенного Карно:

— первый такт — впуск горючей смеси в цилиндр;

— второй такт — сжатие горючей смеси, в течение которого растут температура и давление смеси в цилиндре;

— третий такт — рабочий ход вследствие горения топлива, вызванного искрой в конце такта сжатия, и расширения продуктов сгорания, которые своим давлением перемещают поршень, совершающий полезную работу;

— четвертый такт — выпуск отработанных газов в атмосферу.

Бо де Роша был теоретиком и никакого двигателя не построил, да и не пытался этого делать. Но его идеи после длительных трудов, несмотря на непонимание и даже противодействие своих партнеров, смог использовать Н. Отто. Он построил в 1876 г. действующий образец четырехтактного двигателя, также работавшего на газе. В 1877 г. ему был выдан патент. Двигатели Отто расходовали вдвое меньше газа, чем двигатели типа Лeнуара, и поэтому получили широкое промышленное применение. Уже в следующем, 1878 г., началось производство таких моторов по патенту Отто в США. Реализация более экономичного четырехтактного цикла являлась выдающимся достижением техники. В принципе подобные двигатели (на жидком и газообразном топливе) и сегодня применяются на большинстве автомобилей.

Следующий шаг сделал Г. Даймлер. Расставшись с Отто, он продолжил работу над моторами самостоятельно и в 1883 г. построил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, в котором вместо светильного газа использовалось более компактное жидкое топливо — бензин. Горючая смесь в виде паров бензина и воздуха образовывалась в специально разработанном им устройстве — карбюраторе. Надо отметить, что за год-два до этого Даймлер посетил, а фактически объездил Россию. Дело в том, что в России уже существовал завод по перегонке сырой нефти на керосин. В процессе перегонки можно было получать еще более легкие фракции, такие, как бензин. Легкое нефтяное топливо было именно тем, что искал Даймлер: оно хорошо испаряется, быстро и полно сгорает.

Вскоре, поставив карбюраторный бензиновый двигатель на повозку, Даймлер построил первый уже, по сути дела и принципиальному устройству, настоящий автомобиль.

Современники обычно лучше знают не теоретиков, а практиков. Может быть поэтому теоретический цикл быстрого сгорания, разработанный Бо де Роша и примененный Отто в своих двигателях, и сегодня называют «циклом Отто», а имя его настоящего создателя часто не упоминается даже в специальной литературе.

В 1891 г. завод Даймлера построил первый в Европе небольшой промышленный Локомотив автомобильного типа с зубчатой передачей между двигателем и колесами. Его мощность была всего 4 л.с. Ясно, что такие мотовозы не могли составить конкуренции не только поездным, но и маневровым паровозам на железных дорогах. С 1893 г. автомобильный завод Даймлера строил и самоходные рельсовые вагоны — автомотрисы (рельсовые автобусы) для немецких железных дорог.

Стационарные двигатели, работающие на керосине и более тяжелых сортах нефтяного топлива, появились в ряде стран в конце 1890-х годов. Зажигание в них производилось при помощи так называемого «калоризатора» — массивного полого шара, расположенного в крышке цилиндра, соединенного с камерой сжатия и входящего в ее объем. На раскаленную внутреннюю поверхность этого шара и впрыскивалось топливо. В России такие двигатели получили широкое распространение. Их производство сначала было организовано известным предпринимателем-нефтепромышленником Э.Л. Нобелем на своем машиностроительном заводе в Петербурге. Двухтактный калоризаторный двигатель завода Нобеля в 1893 г. получил высшую награду на Всемирной выставке в Чикаго.

Дизельные двигатели внутреннего сгорания. В конце 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель, живший и работавший во Франции, создал двигатель внутреннего сгорания, в котором тяжелое жидкое топливо самовоспламенялось в цилиндре от высокой температуры сжатого в нем воздуха. Такие двигатели вскоре стали называть и называют и сейчас по имени их создателя — дизельными или просто дизелями. Одно это уже показывает выдающееся значение изобретения Р. Дизеля для промышленного развития человечества.

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

Идею нового рабочего процесса он изложил в 1892 г. в заявке на патент «Рабочий процесс и способ выполнения одноцилиндрового и многоцилиндрового двигателя» и опубликовал на немецком языке в Берлине в брошюре «Теория и конструкция рационального теплового двигателя». Первые опытные образцы были малоудачными, однако в 1897 г. был построен стационарный одноцилиндровый двигатель (D = 250 мм, S = 400 мм), работающий на керосине, и который при 170 оборотах вала в минуту развивал мощность примерно 15 кВт.

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

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

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

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

В России с самого начала производства дизелей развернулись работы по созданию оригинальных отечественных конструкций. В 1907 г. Коломенский завод построил по проекту инженера Р.А. Корейво горизонтальный двухтактный реверсивный дизель с противоположно движущимися поршнями, прямоточно-щелевой продувкой и передачей на два вала, намного опередив этим зарубежные фирмы Юнкере и Фербенкс-Морзе, которые значительно позднее стали выпускать дизели такого типа.

Развитие отечественного дизелестроения сопровождалось разработкой научных проблем теории рабочего процесса двигателей. Уже в 1906 г. профессор МВТУ В.И. Гриневецкий предложил метод теплового расчета рабочего цикла, положенный в основу современных теорий рабочих процессов д.в.с. и развитый впоследствии другими специалистами (Е.К. Мазинг, Н.Р. Бриллинг). Он же разработал теоретические основы и конструктивные схемы комбинированных двигателей.

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

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

тепловоз - Локомотив с дизельной энергетической установкой. Естественно, встал вопрос о применении дизельных двигателей в качестве энергетической установки на Локомотивах. Это оказалось трудной задачей, на решение которой ученые и инженеры разных стран потратили не менее двух десятилетий.

Первая попытка построить поездной тепловоз относится к 1906 г., когда, в какой-то мере по инициативе самого Р. Дизеля, управление Прусских железных дорог заказало двум крупнейшим европейским заводам: паровозостроительному «Аугуст Борзиг» в Берлине и двигателестроительному «Братья Зульцер» в Винтертуре (Швейцария) пассажирский тепловоз типа 2-2-2 с двухтактным двигателем Дизеля. В его проектировании вместе с Дизелем принимал участие известный локомотивный специалист инженер Клозе.

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

Эксплуатационные испытания тепловоза в 1913 г. выявили ряд существенных недостатков.

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

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

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

Эту неудачу, или точнее, неработоспособность тепловоза непосредственного действия предвидели некоторые отечественные специалисты. Известный российский теплотехник В.И. Гриневецкий еще в 1907-1912 гг., то есть практически параллельно и одновременно с Дизелем, пытался создать специальный локомотивный двигатель внутреннего сгорания, основанный на первоначальных идеях самого Дизеля. Однако, опыты, проведенные Гриневецким на Путиловском заводе в Петербурге, не привели к положительным результатам. Ученик Гриневецкого А.Н. Шелест, развивая работу своего учителя, еще студентом МВТУ пытался найти другой путь приспособления двигателя внутреннего сгорания к требованиям тяговой службы, разрабатывая идею тепловоза с газовой передачей. Он предполагал использовать дизельный двигатель только в качестве теплового генератора — генератора газов (высокотемпературных продуктов сгорания топлива). А в качестве теплового двигателя предусматривалась поршневая газовая машина, соединенная с ведущими осями локомотива по типу паровозной. Эта идея осталась лишь в проектах. Она, в ка-кой-то мере была сходной с идеей Хельмана применить на паровозе электрическую передачу и не могла быть осуществлена из-за неизбежно высоких потерь энергии в газовой передаче.

Позднее российские специалисты (Ю.В. Ломоносов, А.Н. Шелест и др.) проводили теоретический анализ, подтверждавший неизбежную неработоспособность тепловоза Дизеля - Клозе - Зульцера -Борзига. Они обосновывали другие пути решения проблемы.

Уже в советское время, в 1920-х годах, именно отечественным специалистам удалось найти работоспособные технические решения по использованию дизельных двигателей на локомотивах, что позволило к 1925 г. построить два первых в мире поездных магистральных тепловоза. Один был создан по проекту группы инженеров под руководством известного в стране специ-алиста-тяговика профессора Ю.В. Ломоносова, другой был построен по проекту и под руководством опытного инженера-элек-трика Я.М. Гаккеля. С того времени началось развитие тепловозостроения, которое непосредственно было связано с совершенствованием тепловозных дизелей.

Газовые турбины. Аналогично истории паровых машин и турбин, попытки реализации газовых турбин, работающих без парокотельной установки, стали практически рассматриваться после определенного этапа развития поршневых двигателей внутреннего сгорания, хотя идеи таких лопаточных двигателей возникали еще в конце XVIII столетия.

Трудности состояли в том, что, с одной стороны, в устройстве собственно паровой и газовой турбин много общего. Лопаточное колесо, элементы проточной части: лопатки, сопла очень похожи. Однако различия состоят в устройстве и действии остальных частей энергетической установки. Вместо парового котла в роли теплового генератора, размеры которого в паротурбинной установке превышают размеры самой паровой турбины, у газовой турбины тепловым генератором может служить более компактная камера сгорания, в которой топливо может непрерывно гореть в атмосфере предварительно сжатого воздуха.

В самом конце XIX и начале XX века попытки создания газовых турбин были предприняты в Германии, России и Франции. Вплоть до 1920 г. было сконструировано несколько мощных турбин, но все они были не совершенны и не нашли широкого применения. А.Н. Шелест в 20-х годах разрабатывал проект Локомотива, в котором роль теплового генератора должен был играть поршневой д.в.с. (как механический генератор газа), а в качестве теплового двигателя могла быть предусмотрена и газовая турбина. Эта идея так же оказалась неработоспособной и не могла быть реализована.

До 1940-х годов газовая турбина как самостоятельный двигатель не могла составить конкуренцию ни паровой турбине, ни двигателям внутреннего сгорания.

Чтобы создать газовую турбину, равную паровой по экономичности, необходимо было решить две главные задачи:

— во-первых, обеспечить в начале процесса расширения высокую (значительно более высокую, чем у паровой турбины) температуру рабочего тела. Здесь уровень температуры ограничивается термической стойкостью материалов проточной части: температура продуктов сгорания может достигать 2000°С, которую не выдерживают даже жаропрочные конструкционные материалы. Поэтому во всех современных газотурбинных двигателях и сейчас для обеспечения их необходимой долговечности приходится снижать температуру газов до значительно более низких значений (600-800°С), существенно увеличивая избыток воздуха и затраты энергии на его сжатие и подачу;

— во-вторых, создать высокоэффективные компрессоры для сжатия воздуха, коэффициентом полезного действия которых определяется эффективность всей газотурбинной установки.

Эти задачи были решены в начале 40-х годов. В металлургии к этому времени были созданы жаропрочные сплавы, которые могут работать длительно и устойчиво при температурах до 850-900°С. Были созданы многоступенчатые осевые компрессоры, к.п.д. которых были значительно увеличены — до 85% (против 65-70% в 20-х годах). Одновременно появилась сфера применения газотурбинных двигателей (г.т.д.) — авиация, где с ними по компактности и весу не могли уже конкурировать поршневые д.в.с. Поэтому, уже в предвоенные годы интенсифицировались работы по созданию авиационных г.т.д. В послевоенное время различные виды г.т.д. стали основными типами авиационных двигателей. Мощные газотурбинные двигатели нашли применение на судах в морском транспорте.

В 50-х годах в ряде стран, в том числе в СССР и США, были сделаны достаточно успешные попытки создания локомотивов с г.т.д. — газотурбовозов. Целью их разработки было стремление создать автономные локомотивы большой единичной (секционной) мощности, так как в то время мощность существовавших тепловозных дизелей не превышала 1200-1500 кВт. Были построены вполне работоспособные локомотивы, главным недостатком которых оказалась их невысокая (по сравнению с тепловозами), эффективность, к.п.д. построенных газотурбовозов не превышал 16-18%, хотя теоретически при усложнении конструкции он мог бы быть и выше. Опыт использования газотурбовозов в поездной работе поэтому не получил пока дальнейшего развития.

Однако в сфере пассажирского движения, где важно облегчить подвижной состав, находят применение и сегодня (в частности, во Франции) турбопоезда, энергетическую установку которых представляют компактные авиационные г.т.д. Надо отметить, что первый вариант поезда TGV для высокоскоростного движения во Франции, требующего большой мощности, первоначально разрабатывался именно под газотурбинный двигатель.

Admin добавил 13.06.2012 в 23:12
Вы можете дополнить или изменить данную статью, нажав кнопку Редактор