бабулер68

История отечественных газомоторных локомотивов

С.В. ТАНКЕЕВ,
первый заместитель начальника службы технической политики Свердловской дороги — филиала ОАО «РЖД»,

Н.В. ГРАЧЕВ,
заведующий лабораторией систем управления газовых локомотивов отдела тяговых и вспомогательных статических преобразователей АО «ВНИКТИ»,

М.А. ЧЕРНЫШЕВ,
заведующий сектором сопровождения отдела газовых локомотивов АО «ВНИКТИ»,

Д И. ПРОХОР,
заведующий отделом газовых локомотивов АО «ВНИКТИ»

В предыдущем номере журнала «Локомотив» данными авторами была представлена история развития отечественных газомоторных локомотивов на рубеже XIX — XX веков. О современном этапе истории развития локомотивов рассказывается в данной статье.



В 2012 г. конструкторским коллективом ОАО «ВНИКТИ» под руко-Оводством главного инженера В.Ф. Руденко началась разработка маневрового газотепловоза ТЭМ19 (рис. 1), работающего по газовому циклу на сжиженном природном газе (СПГ). Проект был осуществлен совместными усилиями ОАО «РЖД», ЗАО «Трансмашхолдинг», ЗАО «УК „Брянский машиностроительный завод"», ОАО «Волжский завод им. Маминых» и ООО «Балашихинский завод криогенного машиностроения».

Сборка машины производилась параллельно с проектными работами на базе ЗАО «УК „Брянский машиностроительный завод"», входящего в состав ЗАО «Трансмашхолдинг». Газотепловоз ТЭМ19 предназначен для выполнения маневровой работы на железнодорожных путях колеи 1520 мм в районах с умеренным климатом (исполнение У, категория 1) при температуре окружающей среды от -50 до 40 °С (от 223 до313°К).

Основные технические характеристики газотепловоза ТЭМ19 приведены в табл. 1. Тяговая характеристика тепловоза ТЭМ19 приведена на рис. 2.

Маневровый тепловоз ТЭМ19 с газопоршневой силовой установкой — односекционный локомотив, работающий на СПГ, с электрической передачей переменно-постоянного тока. Оборудование тепловоза смонтировано на главной раме, которая установлена на две бесчелюстные трехосные тележки.


Как и большинство тепловозов последнего поколения, ТЭМ19 спроектирован по модульному принципу с применением системного интегрированного комплекта оборудования. Такой принцип компоновки обеспечивает:

• реализацию прогрессивных отечественных научно-технических разработок последних лет: многофункциональной микропроцессорной системы управления, регулирования и диагностики, регулируемых электроприводов вспомогательного оборудования;
  
• возможность дальнейшего совершенствования его техникоэкономических показателей путем применения комплектующих узлов и агрегатов новых поколений по мере их разработки и освоения производства;
  
• максимальное использование конструктивных и технологических возможностей снижения стоимости жизненного цикла локомотива.

Кузов тепловоза — капотного типа — состоит из четырех основных частей: передний капот (над системой охлаждения), средний капот (над силовой установкой), кабина машиниста, задний капот (над высоковольтной камерой). Все капоты кузова выполнены в виде съемной конструкции, устанавливаемой на раму тепловоза. Конструктивно машина состоит из основных блоков, указанных на рис. 3.

Первоначально планировалось установить на локомотив двигатель производства Caterpillar, но из-за его высокой стоимости было принято решение использовать отечественную продукцию. Выбор остановился на ОАО «Волжский дизель Рис. 2. Тяговая характеристика тепло- ИМ’ Маминых» (ОАО «ВДМ»). воза тэм19 За основу был принят газопоршневой двигатель 8ГЧН21/26 с системой искрового зажигания, работающий на природном газе по циклу Отто, созданный по заказу ООО «Газпром» для модульной электростанции, работающей на природном газе.

В августе 2012 г. конструкторы ОАО «ВДМ» приступили к разработке и созданию силовой установки. При ее создании был использован опыт, накопленный во время производства и эксплуатации серийно выпускаемого двигатель-генератора ГДГ90 в комплекте с рядным восьмицилиндровым четырехтактным двигателем 6ГЧН21/21. Данный силовой агрегат хорошо зарекомендовал себя в эксплуатации при работе на газовом топливе.

Двигатель-генератор ГДГ800Т (рис. 4) был построен за 10 месяцев и в июне 2013 г. отправлен на Брянский машиностроительный завод для монтажа.

Блок силовой установки смонтирован на общей раме и включает в себя газопоршневой двигатель 8ГЧН21/26 (3), тяговый (4) и вспомогательный (4а) синхронные генераторы. Новый двигатель оснащен системами наддува, промежуточного охлаждения наддувочного воздуха и искровым форкамерно-факельным зажиганием.

Система охлаждения жидкостная, замкнутая с принудительной циркуляцией, включает в себя два контура; охлаждения двигателя и охлаждения наддувочного воздуха и масла. Крутящий момент коленчатого вала двигателя на ротор тягового генератора передается через муфту пластинчатого типа, на ротор вспомогательного генератора — через высокоэластичную муфту.

Для пуска двигателя служит стартер, который получает питание от стартерных аккумуляторных батарей. Сильфонный компенсатор компенсирует температурные деформации выхлопной системы, а также предохраняет турбокомпрессор от вибрации. Многие узлы и детали унифицированы с дизелями, устанавливаемыми на маневровые гидромеханические тепловозы ТГМ4.

Система газоподготовки маневрового газопоршневого тепловоза ТЭМ19 расположена в передней части локомотива и предназначена для заправки и хранения СПГ, его регазификации и выдачи с требуемыми параметрами расхода, давления и температуры в двигатель.

Бортовая криогенная емкость (БКЕ) (А1) предназначена для заправки, хранения и выдачи СПГ (рис. 5). Хранение СПГ производится при рабочем давлении 0,3 — 1,0 МПа. При снижении давления БКЕ ниже рабочего СПГ направляется через атмосферный испаритель (АТ2) для восстановления рабочего давления. БКЕ оборудована креплениями стандартного контейнера. Это дает возможность быстрой дегазации локомотива перед постановкой в ремонтные цехи и замены опорожненной емкости на заполненную при реализации технологии заправки сменными модулями.


БКЕ состоит из защитного вакуумного кожуха с экранно-вакуумной теплоизоляционной и опорной системами внутреннего сосуда, узла вакуумирования (ВК1), арматурного шкафа, (в котором размещены арматура и приборы технологических процессов), опорной рамы, узла заправки-выдачи, безопасного дренажного устройства (БДУ).

Внутренний сосуд состоит из цилиндрической обечайки, сферических днищ, трубопроводов входа и выхода СПГ и газа, защитных перегородок, компенсирующей емкости (АР1) для предупреждения полного заполнения БКЕ при заправке (вмещает часть объема СПГ при его прогреве и расширении при длительном хранении), узлов крепления опорных элементов и карманов для размещения адсорбента. Оборудование и узлы его крепления рассчитаны на перегрузки в продольном, поперечном и вертикальном направлениях (6д). Для перекрытия трубопроводов используются специальные шиберные задвижки https://de-arm.ru/sortament/zaporno-...yie-nozhevyie/.

Трубопровод заправки-выдачи СПГ подведен к нижней точке внутреннего сосуда, трубопровод сброса газа в атмосферу через БДУ и входа газа от атмосферного испарителя (АТ2) — к верхней. К верхней точке внутреннего сосуда подведен перфорированный трубопровод, обернутый сеткой для распыления СПГ при заправке и служащий также для выдачи газа в топливную систему. Перегородки внутреннего сосуда служат для снижения энергии колебания СПГ при перевозке, и в них имеются отверстия для сообщения частей сосуда.

Защитный вакуумный кожух БКЕ состоит из цилиндрической обечайки, сферических днищ и повторяет форму внутреннего сосуда. В зазоре между защитным кожухом и внутренним сосудом размещены экранно-вакуумная теплоизоляция, опорные узлы и трубопроводы. На кожухе установлен узел вакуумирования (ВК1) для предохранения вакуумного пространства от аварийного повышения давления, патрон с поглотителем влаги, опорные узлы крепления к раме, арматурный шкаф, БДУ.

Из БКЕ через узел заправки-выдачи и арматурный шкаф СПГ подается в продуктовый испаритель (АТ1), где регазифицируется и поступает в газовый ресивер (АР2), служащий для компенсации перепадов давления в топливной системе. При изменении температуры и давления газа за пределами допустимого диапазона прекращение подачи газа из газового ресивера осуществляется криогенным клапаном с электроприводом (К1), установленным на газовом трубопроводе перед редуктором (Р1).

Для контроля температуры и давления подаваемого газа на трубопроводе между газовым ресивером и криогенным клапаном установлены датчик температуры (Т1) и датчик давления (Д1). Для регулирования подачи газа с требуемыми параметрами рабочего давления (0,24 — 0,30 МПа) установлен газовый редуктор (Р1).

Арматурный шкаф (рис. 6) обеспечивает работу системы газоподготовки при заправке, хранении и выдаче СПГ. Он состоит из винтовых клапанов с ручным приводом (В1 — В9), пружинных предохранительных клапанов с ручным приводом (КП1 — КП4), обратного клапана (OKI), криогенного фильтра (Ф1), манометра (М1) и устройства для прочистки трубопровода (УПТ).

Предохранительные клапаны (КП1 — КП4) защищают внутренний сосуд БКЕ и трубопроводы от превышения давления путем сброса газа в атмосферу через БДУ.

Обратный клапан (OKI) предохраняет от переполнения БКЕ при заправке.

Криогенный фильтр (Ф1) предназначен для фильтрации СПГ при заправке. Манометр (М1) служит для контроля давления во внутреннем сосуде БКЕ.

Топливная система производит подачу, распределение, дозирование газа по цилиндрам двигателя в зависимости от нагрузки с помощью коллектор-дозатора, регулятора частоты вращения, газовых клапанов с приводом от траверсы впускных клапанов и форкамер-ными клапанами (рис. 7). В качестве топлива применяется регазифицированный (прошедший газоподготовку) СПГ.

Соединения трубопроводов топливной системы газопоршневого двигателя и тепловоза оснащены компенсаторами. Двигатель оборудован электронным регулятором частоты вращения DG6 фирмы «Heinzman GmbH» (Германия), который предназначен для автоматического поддержания заданной частоты вращения коленчатого вала двигателя при изменении нагрузки путем изменения количества топлива (газа), подаваемого в цилиндры дозатором.

На двигателе 8ГЧН21/26 применена система форкамерно-факель-ного зажигания с возможностью воспламенения обедненной смеси газа с воздухом во всем объеме камеры сгорания (рис. 8), которая работает по следующему алгоритму:

О часть регазифицированного природного газа поступает к редуктору форкамерного газа, который поддерживает его давление выше давления воздуха, поступающего из системы наддува двигателя, на 0,2 ± 0,1 МПа;

О через форкамерные клапаны, которые приводятся в действие от траверсы впускных клапанов, газ поступает в полость форкамеры, где смешивается с воздухом;

О газовоздушная смесь поджигается электронной системой зажигания Phlox VDM8 фирмы «Heinzman GmbH» (состоит из блока управления Phlox серии IC-08, магнитного датчика IA 01-38, катушки зажигания, триггерного диска, комплекта экранированных кабелей, свечей зажигания Denso GK3-1 А).

Пламя, пройдя через сопла носка распылителя, поджигает основной заряд смеси в камере сгорания цилиндра в период начала рабочего хода поршня. Установочный угол опережения зажигания (12 - 13°) до верхней мертвой точки (ВМТ) определяется электронным стробоскопом фирмы «Motortech GmbH» при вращении коленчатого вала двигателя. Унифицированная микропроцессорная система управления, защиты, регулирования и диагностики (МПСУ-ТП) обеспечивает управление и регулирование режимов работы, диагностики основного и вспомогательного оборудования ТЭМ19.


30 мая 2014 г. газотепловоз ТЭМ19 поступил в эксплуатационное локомотивное депо Егоршино Свердловской дирекции тяги для проведения эксплуатационных испытаний. 5 июня 2014 г. произведена первая заправка СПГ на экипировочном пункте комплекса по производству СПГ на ГРС-4 ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» (рис. 9).

Одним существенным конструктивным недостатком ТЭМ19 на начальном этапе эксплуатации был высокий удельный расход топлива силовой установкой ГДГ800Т, которая была создана на базе двигателя 6ГЧН21 /21, предназначенного для модульной электростанции. Его номинальный КПД обеспечивается только на номинальных режимах работы (мощности и частоты вращения коленчатого вала).

Особенностью режима работы маневрового локомотива является минимальное время работы его силовой установки в номинальном режиме (не более 2 — 3 % от общего бюджета времени). Более 90% рабочего времени маневровый локомотив работает на низких позициях контроллера или в режиме холостого хода. Соответственно, удельный расход топлива тепловоза, оснащенного двигателем подобного типа, значительно выше, чем у стандартного маневрового локомотива.

В начале октября 2014 г. было принято решение об окончании первого цикла эксплуатационных испытаний, и 19.10.2014 г. газотепловоз ТЭМ19 был отправлен в ОАО «ВНИКТИ» для устранения конструктивных недоработок, проведения приемочных и сертификационных испытаний.

В ходе приемочных и сертификационных испытаний тепловоз был в значительной степени модернизирован. Для снижения расхода газа на холостом ходу разработан и установлен на
двигатель 8ГЧН21/26 механизм попеременного отключения четырех цилиндров (рис. 10).

Алгоритм отключения четырех из восьми цилиндров при работе на холостом ходу предусматривает следующее:

запуск и работа на холостом ходу происходят со всеми включенными цилиндрами до тех пор, пока температура масла не достигнет 40 °С;

затем происходит отключение четырех цилиндров; через 5 мин включаются все 8 цилиндров на 4 с; далее происходит отключение следующей группы из четырех цилиндров по тому же алгоритму с интервалом переключения групп цилиндров в 5 мин.

При включении в работу мотор-компрессора двигатель автоматически переводится на работу на восьми цилиндрах, а после выключения компрессора возвращается на работу на четырех цилиндрах. При переводе ручки контроллера машиниста в 1-ю позицию (сбор тяги или холостой ход) двигатель автоматически переводится на работу на восьми цилиндрах. Спустя 2 мин после перевода ручки контроллера машиниста в нулевую позицию двигатель переходит на работу на четырех цилиндрах, при этом включается другая группа цилиндров (которая была перед этим выключена).

Также были произведены работы по снижению частоты оборотов холостого хода (на нулевой позиции контроллера) с 1000 до 600 об/мин. Значения оборотов газопоршневого двигателя 8ГЧН21/26 в зависимости от позиции контроллера машиниста тепловоза ТЭМ19 представлены в табл. 2.

Проведенные испытания по проверке работоспособности двигателя с частотой вращения коленчатого вала двигателя в режиме холостого хода 600 об/мин с последующей проверкой по тепловозной характеристике показали, что расход газа в режиме холостого хода составил 17,5 кг/ч.

Эти конструктивные решения позволили повысить топливную эффективность газопоршневого тепловоза. Удельный расход топлива на измеритель снизился почти на 38 % (рис. 11).

1 сентября 2015 г. по завершении полного цикла приемочных и эксплуатационных испытаний АО «УК „Брянский машиностроительный завод"» получен сертификат соответствия, дающий право серийного выпуска маневровых газопоршневых тепловозов типа ТЭМ19.

Результаты эксплуатации показали, что данный опытный образец получился вполне работоспособным и неприхотливым в процессе его эксплуатации и обслуживания. Основные результаты опытной эксплуатации ТЭМ19 на Свердловской дороге за 2014 — 2017 гг. (на 31.12.2017 г.) представлены в табл. 3.

Однако ряд конструктивных недостатков ТЭМ19 необходимо устранить до начала его серийного производства. Начнем с простейших. Прежде всего, нужно изменить конструкцию капота и обеспечить удобный доступ для проведения технического обслуживания и ремонта двигатель-генератора ГДГ800Т, в том числе работ по смене цилиндровых комплектов.


Для улучшения эксплуатационных показателей локомотива желательно модернизировать его бортовую криогенную емкость (увеличить запас СПГ до 5000 кг) и частично систему газоподготовки (изменить параметры трубопроводов для сокращения времени заправки и потерь СПГ) как на стационарном пункте экипировки СПГ газомоторных локомотивов, так и в случае заправки с помощью криогенного автогазозаправщика.

Системным недостатком также является регулярный выход из строя пусковых стартеров СТ-1, СТ-2 типа С287-04 (96 В, 12 кВт) с частичным разрушением зубчатого венца маховика двигатель-генератора ГДГ800Т. Причиной быстрого износа зубьев зубчатого венца является втягивающая катушка в конструкции стартера С287-04, в результате чего при запуске двигателя ведущая шестерня стартера входит в зацепление с неподвижным маховиком двигатель-генератора, имея номинальную частоту вращения и значительный момент инерции.

При этом при каждом запуске двигателя происходит незначительное систематическое повреждение зубьев венца маховика и шестерни стартера. Эффективно устранить данный конструктивный недостаток двигатель-генератора ГДГ800Т можно заменой стартеров С287-04 на соответствующий аналог, имеющий электромагнитную втягивающую катушку, например, на стартер типа ПС-У-2.

Одним из главных недостатков двигателя с форкамерно-факель-ным воспламенением является его высокий удельный расход топлива по сравнению с другими из-за форкамеры. В ней идет неполное сгорание поступаемого газа и теплообмен со стенками.

Доработка двигателя в данной области — это научная работа, к которой надо подходить планово и основательно. Помимо доработок, связанных с форкамерой, можно использовать вместо механических клапанов подачи газа в камеру сгорания электроуправляемые клапаны, что позволит оптимизировать рабочий процесс.