poster444

Каким быть тепловозу?

Можно применить газотурбинную установку

В 1922 г. профессор А.Н. Шелест получил швейцарский патент № 95277 на газотурбинную установку (ГТУ). Главным в этом изобретении являлось то, что впервые в мировой практике рабочая расширительная машина отделена от турбины, приводящей во вращение компрессор. Это позволило использовать газотурбинную установку для транспорта и промышленности. А.Н. Шелест своим изобретением опередил время. Только в наши дни этот двигатель стал широко применяться на вертолетах, самолетах, автомобилях и тракторах, на современных танках, судах, газоперекачивающих станциях и др.

Эффективная работа газотурбинных установок в авиации позволяет использовать эти двигатели и для тепловозов. Схема такого будущего локомотива показана на рис. 1. Сжатый воздух из компрессора 1 поступает в камеру сгорания 2, куда подается жидкое или газообразное топливо. После камеры сгорания газы поступают в турбину 3, служащую для привода компрессора 1, а после расширения газов в турбине 3 оставшуюся часть своей энергии они превращают в работу на валу турбины 4.
Отработанные газы выбрасываются в атмосферу через трубу
5. При этом правый вал турбины 4 через двухскоростной редуктор 6 приводит во вращение с помощью карданной передачи колеса одной тележки, а левый вал турбины 4 используется для привода колес другой тележки. В данном случае компрессор 1, камера сгорания 2 и турбина 3 образуют генератор сжатых горячих газов, энергия которых используется для привода колес локомотива в рабочей турбине 4. Наконец, баллон 7, расположенный между двумя тележками, служит для хранения топлива.

Преимущество такой газотурбинной установки по сравнению с поршневым двигателем внутреннего сгорания, прежде всего, заключено в непрерывности горения топлива в камере 2, что обеспечивает меньшую токсичность выхлопных газов по сравнению с поршневым двигателем. Другими словами, при одном качестве топлива газотурбинный двигатель в экологическом отношении более чистый, чем поршневой. Еще больший эффект, в смысле экологической чистоты выхлопных газов, делает возможным переход от жидкого топлива на природный газ, что позволяет уменьшить вредные выбросы в атмосферу (ниже европейского стандарта, вводимого в действие с 1999 г.). Для размещения природного газа на новом тепловозе его придется хранить в баллоне 7 в сжиженном состоянии при давлении 250 кгс/см2, а подаваться в камеру сгорания 2 он будет уже в газообразном состоянии, для чего используется специальный редуктор давления.

Рабочая газовая турбина 4 обладает несколько лучшей тяговой характеристикой (рис. 2) по сравнению с двигателем внутреннего сгорания. Если для дизеля крутящий момент на его валу практически не зависит от частоты вращения, то сила тяги рабочей турбины несколько уменьшается с увеличением числа оборотов ее вала. Это преимущество позволяет иметь не 4 — 5 ступеней скорости, как делается в автомобильных установках, а только две. Именно так и сделано в тепловозе фирмы «Рено-Сигма», построенного во Франции, но не с турбинным генератором газа I — 2 — 3 (см. рис. I), а с поршневым.
Многие годы газотурбинные двигатели уступали поршневым по величине к.п.д. Объясняется это тем, что сгорание топлива в них происходило при значительно меньших давлениях, чем в поршневых. Достижения в производстве авиационных ГТУ позволили значительно поднять давление сгорания в них. Это обстоятельство позволяет получить к.п.д. ГТУ в перспективе не ниже, чем в поршневых тепловозных дизелях.

В тепловозе XXI века на рис. I в качестве двигателя используется ГТУ. По сравнению с поршневым двигателем она обеспечивает тепловозу ряд преимуществ. Прежде всего, стоимость изготовления ГТУ меньше, чем дизеля той же мощности. При этом современный двигатель магистрального тепловоза уже с трудом размещается вместе с электрической передачей в габаритах локомотива. В этом отношении ГТУ может быть легко размещена, так как ее размеры сравнительно невелики, а масса этого двигателя на единицу мощности значительно ниже. Современное направление к увеличению веса поездов требует локомотивы повышенной мощности, что также говорит в пользу ГТУ.

Эксплуатационные качества тепловоза в значительной степени определяются его моторесурсом. В этом отношении тепловозные дизели и современные ГТУ практически равноценны. Однако серьезным преимуществом в эксплуатации обладают те локомотивы, которые в процессе работы имеют меньшие расходы. Этому условию также удовлетворяет локомотив с ГТУ, ведь в нем кабина машиниста расположена в центре газотурбовоза, что обеспечивает возможность управления им в одно лицо.

Кроме того, эксплуатационные расходы зависят от цены локомотива. Поскольку стоимость изготовления перспективного локомотива ниже стоимости тепловоза той же мощности, то и ремонтные расходы на него будут ниже.

Одной из главных характеристик тепловоза является его к.п.д. Для анализа нового локомотива с этой точки зрения был проведен тепловой расчет ГТУ на компьютере. Расчет произведен по параметрам, указанным в табл. I.
Степень сжатия в компрессоре принята выше, чем у существующих ГТУ с учетом ее повышения в дальнейшем, так как увеличение этого параметра приводит к большему к.п.д. силовой установки. К.п.д. компрессора и газовых турбин в табл. 1 соответствуют достигнутым в наши дни на лучших образцах ГТУ, применяемых на судах морского и речного флота. Величина коэффициента избытка воздуха принята высокой, так как это позволяет существенно снизить температуру газа после камеры сгорания и тем самым облегчить работу турбин при хорошем к.п.д. всей установки.

Результаты расчета ГТУ перспективного тепловоза представлены в табл. 2. Расчеты показали, что к.п.д. ГТУ составляет 39 % и практически не уступает в этом отношении тепловозным дизелям. При этом надо не забывать, что стоимость природного газа значительно ниже стоимости жидкого топлива.
Каким будет будущий тепловоз? Этот вопрос сейчас правомерен, поскольку бурно развиваются различные виды транспорта. Возросли автомобильные перевозки. Появились новые проекты транспортных средств на воздушной подушке. Во многих странах доля перевозок по железным дорогам сокращается.

Возникает законный вопрос: какому виду транспорта отдать предпочтение? Для ответа на этот вопрос примем за 100 % расход энергии при перевозке 1 т груза самолетом при скорости 200 км/ч. Оказывается, что для перевозки той же массы груза с той же скоростью на железнодорожном транспорте требуется в 5 раз меньше мощности, чем у самолета, и в 3 раза меньше, чем у автомобиля. Даже транспортные средства на воздушной подушке, о которых часто пишут, как о будущих средствах перемещения грузов и пассажиров, требуют в одинаковых условиях затрат энергии в 2,5 раза больше.

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin