poster444

Газотурбинная тяга: история и перспективы

В 1955 г. Коломенскому тепловозостроительному заводу имени В.В. Куйбышева было поручено спроектировать и построить первый отечественный двухсекционный грузовой газотурбовоз мощностью 5147 кВт (7000 л.с.) под обозначением Г1. В короткие сроки здесь организовали специальные конструкторские бюро по проектированию ГТД и газотурбовоза, штат которых образовали молодые специалисты, окончившие МВТУ имени Баумана, МЭИ, БИТМ, ХПИ и другие учебные вузы. Были также созданы производственные и экспериментальные участки и лаборатории, изготовлены испытательные стенды. В течение двух лет на заводе спроектировали и в 1957 г. построили первый ГТД.

При этом коллектив завода тесно взаимодействовал с учеными и специалистами кафедры газовых турбин МВТУ имени Баумана, возглавляемой профессором В.В. Уваровым, института ЦИАМ, а также предприятий авиационной промышленности, которые занимаются разработкой газотурбинных двигателей. Ставилась задача изготовить простейшую и надежную силовую установку. Был выбран одновальный газотурбинный двигатель без регенерации тепла уходящих газов. За 1957 — 1958 гг. были построены и испытаны еще два опытных газотурбинных двигателя.

Секцию первого грузового газотурбовоза изготовили в декабре 1959 г. На нее установили ГТД № 2. Расположение агрегатов и оборудования газотурбовоза показано на рис. 4. В средней части кузова на сварной раме смонтирован газотурбинный двигатель. Его осевой компрессор засасывает наружный воздух через боковые сетчатые фильтры всасывающей камеры. Отработавшие газы ГТД выбрасываются через выхлопной патрубок, в котором расположен подогреватель тяжелого топлива. Газотурбинный двигатель вращает главный редуктор, имеющий два ведомых вала. Редуктор, снижающий частоту вращения вала ГТД, — одноступенчатый. Передача к колесам — электрическая постоянного тока тепловозного типа.
На газотурбовозе установлен вспомогательный дизель, предназначенный для пуска ГТД и передвижения при одиночном следовании. Этот дизель вращает пусковой (маневровый) генератор и вспомогательный для электропривода тормозного компрессора, а также вентилятор тяговых двигателей задней тележки, обеспечивает остальное электроснабжение газотурбовоза при неработающем ГТД. После пуска последнего вспомогательный дизель останавливается. Привод вспомогательных механизмов — электрический постоянного тока. Тяговая характеристика газотурбовоза приведена на рис. 5. Предусмотрены запуск газотурбинных двигателей на дизельном топливе, а при выходе на режим холостого хода — переход на использование тяжелого топлива с содержанием серы до 3 %.
В течение 1960 г. специалисты завода выполняли доводку ГТД, узлов электропередачи и вспомогательного оборудования. Сделали несколько опытных рейсов с поездами массой до 2 тыс. т. С декабря 1960 г. по апрель 1961 г. на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа проводили реостатные и тяговые испытания, которые подтвердили все заложенные в техническом задании параметры. Используя данные всесторонних исследований газотурбовоза Г1, а также результаты стендовых испытаний газотурбинных двигателей Ns 1, 2 и 3, был спроектирован и в 1961 г. изготовлен ГТД № 4, на котором значительно повысили жесткость корпусов и надежность их крепления. Он был установлен на газотурбовоз Г1 взамен ГТД Ns 2. Новым двигателем отрабатывали режим его эксплуатации на тяжелом (дистиллятном) топливе.

В начале января 1962 г. газотурбовоз Г1 прошел наладочный пробег 5 тыс. км, после которого начались эксплуатационные испытания в депо Кочетовка Юго-Восточной дороги с грузовыми поездами массой 2200 — 2800 т. К концу года его пробег с поездами превысил 20 тыс. км, а общий, с учетом испытаний, достиг 30 тыс. км. Испытатели отмечали хорошие эксплуатационные качества газотурбовоза, надежную его работу в летних и зимних условиях.

Чтобы ускорить накопление опыта эксплуатации газотурбинных двигателей на железнодорожном транспорте, в 1963 г. было принято решение о постройке еще двух газотурбовозов ГП1 (рис. 6) на базе серийного тепловоза ТЭП60 с сохранением его габаритных размеров и без каких-либо изменений тележек. Более короткая база тепловоза потребовала заменить электрический привод вспомогательных агрегатов на механический от постоянно работающего вспомогательного дизеля мощностью 294 кВт (400 л.с.). Однако впоследствии выявились отрицательные стороны такого решения.
Если сравнивать с ГТД, то дизель располагает меньшим ресурсом. Его остановка по любой причине приводит к остановке газотурбовоза. Для нового оборудования требуются свои система и качество смазки. Периоды обслуживания дизеля меньше, чем остальных узлов газотурбовоза. Это увеличивает эксплуатационные расходы.

Построенные в 1964 г. пассажирские газотурбовозы ГП1- 001 и ГП1-002 после доводочных испытаний вместе с грузовым Г1 были направлены в депо Льгов Московской дороги для опытной эксплуатации на различных тяговых участках (рис. 7). Испытания газотурбовоза Г1-01 в 1962 — 1965 гг. показали его надежную работу, в том числе газотурбинного двигателя. Однако за пять лет случались простои газотурбовозов и ремонт ГТД.
Наиболее часто сменяемый элемент — жаровая труба камеры сгорания. Средний срок службы данного назначения труб в депо составил 1,8 тыс. ч, что близко к заданному — 2 тыс. ч. Для замены жаровой трубы требовалось 1 — 2 ч. Простота конструкции, малый вес деталей и узлов ГТД позволяли легко его разбирать, осматривать и ремонтировать даже в депо, не имеющем специального оборудования.

Кпд газотурбовоза составлял 15 %, расход топлива на измеритель перевозочной работы при полновесных поездах — 90 кг условного топлива, что в 2,3 — 2,4 раза больше, чем у тепловоза ТЭЗ. Но так как используемое тяжелое (дистиллятное) топливо было в 2 раза дешевле дизельного, а расход масла на смазку в 7 — 10 раз меньше, чем у тепловоза, то суммарные затраты средств на топливо и масло были одинаковыми.

Зависимость удельного расхода топлива в килограммах на 10 тыс. т км брутто газотурбовозом от величины коэффициента использования мощности приведена на рис. 8. Как видно на рисунке, расход топлива может изменяться в зависимости от нагрузки на газотурбовоз в 3 — 4 раза. Отсюда вытекает особое требование к локомотивным ГТД — необходимость стабилизации кпд в достаточно широком диапазоне частичных мощностей.

В процессе испытаний выявили важное эксплуатационное качество газотурбинного двигателя — возможность быстро ввести его в работу. Запускается ГТД за 2 — 3 мин без его предварительного прогрева даже после длительного отстоя при низких температурах. Сразу после выхода на частоту вращения холостого хода двигатель может принимать полную нагрузку. В 1973 г. в связи с тем, что Коломенский завод прекратил работы по газотурбовозам, они были отставлены от эксплуатации из-за отсутствия запасных частей. Общий пробег газотурбовозов к тому времени составил свыше 600 тыс. км.

Все построенные заводом газотурбовозы имели одновальные ГТД с электрической передачей мощности к колесным парам, так как эти двигатели, аналогично дизельным, не обладают требуемой тяговой характеристикой. Газотурбинный двигатель со свободной тяговой турбиной (рис. 9), в отличие от дизеля, является типичным тяговым двигателем. Он развивает максимальный крутящий момент при трогании с места, когда необходима максимальная сила тяги локомотива. Подобный двигатель мощностью 4412 кВт (6000 л.с.) был спроектирован в 1962 г. Коломенским тепловозостроительным заводом для пассажирского газотурбовоза, имеющего бесступенчатую механическую передачу.
Чтобы обеспечить требуемую тяговую характеристику, при проектировании газотурбинного двигателя для локомотива необходим специальный подход, позволяющий получить близкую к гиперболической характеристику. Специалисты Коломенского завода достигли это при проектировании ГТД со свободной тяговой турбиной мощностью 4412 кВт (6000 л.с.) для пассажирского газотурбовоза, имеющего механическую передачу.

Ряд зарубежных фирм исследовали возможность применения для газотурбовозов механической передачи мощности от двигателя к движущим осям. Первый газотурбовоз с механической передачей мощностью 265 кВт (360 л.с.) был построен в 1954 г. фирмой «Боинг» и предназначался для маневровой работы. На локомотиве размещены два ГТД со свободной тяговой турбиной мощностью 2x135 кВт. Оба двигателя через муфты сцепления передают вращающий момент общему редуктору, вал которого соединен с механической передачей «Торкметик-602».

Передача состоит из комбинированного планетарного редуктора, колеса и шестерни которого находятся в постоянном зацеплении. Передаточное отношение меняется с помощью гидравлических муфт. Выбор силовой схемы локомотива, имеющего две газотурбинные установки, преследовал цель повысить экономичность его работы при частичных нагрузках. При нагрузке 50 % и ниже один из ГТД отключается. Максимальная скорость газотурбовоза 56 км/ч, максимальное тяговое усилие — 6800 кгс.

В 1957— 1959 гг. для опытной эксплуатации на железные дороги ЧССР поступили два газотурбовоза с механической передачей мощностью 2353 кВт (3200 л.с.), которые построили «Заводы имени Ленина» («Шкода»), г. Пльзень. Силовая установка состояла из двухвальной со свободной тяговой турбиной регенеративного ГТД и двухступенчатой механической передачей. Результаты эксплуатационных испытаний газотурбовозов показали их низкую эффективность, поэтому дальнейшие работы по ним были прекращены.

В 1965 г. в ФРГ на базе тепловоза серии V216.001, имевшего гидромеханическую передачу, дополнительно к дизелю фирмы MTU мощностью 1838 кВт (за счет упразднения парового котла отопления поезда), установили газотурбинный двигатель LM 100-8 мощностью 846 кВт. От ГТД вращающий момент через редуктор и карданный вал передавался дополнительному гидротрансформатору, связанному с общей гидропередачей. Также опытно тепловозы V210.001 — V210.008 оборудовали газотурбинными двигателями T53L-13, изготавливавшимися по лицензии «AVCO-Lecoming» фирмой «KHD» (ФРГ).

Газотурбинный двигатель мог подключаться на тягу только при работающем дизеле. Время выхода ГТД с момента пуска до частоты вращения холостого хода 30 с, а затем до принятия полной нагрузки — 15 с. Система регулирования силовой установкой устроена таким образом, что газотурбинный двигатель подключался к тяге только после 15-й позиции контроллера, когда дизель отдавал полную мощность.

Машинист, переводя рукоятку контроллера на следующую позицию, автоматически подключал ГТД к тяге на полную мощность. Когда нагрузка снижалась и он переводил рукоятку контроллера на 15-ю позицию, мощность на ГТД автоматически уменьшалась до 10 % и оставалась без изменения включительно до 10-й позиции. На 9-й позиции контроллера газотурбинный двигатель отключался от тяги поезда и переходил на холостой ход. Для полного отключения ГТД требовалась его работа на холостом ходу в течение 2 мин.

В 1962 г. кандидаты технических наук С.А. Громов и Л.А. Шевченко в статье «Газотурбовоз с электрической передачей переменного тока» (см. журнал «Электрическая и тепловозная тяга» № 11, 1962 г.) выразили мнение о возможности создания газотурбовозов мощностью 4500 — 6000 кВт, особенность которых — двухвапьный ГТД и свободная тяговая турбина. Авторами статьи предлагалась передача мощности от вала двигателя к колесам локомотива машинами переменного тока: синхронным генератором и асинхронными тяговыми двигателями без частотных преобразователей.

В этом же году впервые научные сотрудники ЦНИИ (ВНИИЖТ) МПС высказали идею о целесообразности применения двухвальных газотурбинных двигателей. Предлагалось оборудовать ими скоростные поезда постоянного формирования (турбопоезда) с электрической передачей переменного тока без преобразователей и переключением числа пар полюсов.

В 1964 г. специалисты института на базе дизель-поезда немецких железных дорог построили турбовагон. Его силовая установка состояла из авиационного двухвального газотурбинного двигателя мощностью 257 кВт, синхронного генератора и асинхронного тягового двигателя. Ставилась задача исследовать рабочие процессы силовой установки турбовагона, особенно переходные при его трогании с места, разгоне и в других режимах эксплуатации.

Испытания на Экспериментальном кольце ЦНИИ МПС подтвердили реальность предложенной схемы силовой установки и возможность получения удовлетворительных тяговых характеристик. Однако пришли к выводу, что надо модернизировать силовую установку турбовагона. Необходим более мощный ГТД со свободной турбиной, имеющей большее соотношение крутящих моментов и переход к высокочастотным тяговым электрическим машинам.

В 1970 г. подобными двигателями оборудовали два моторных вагона шестивагонного турбопоезда. Были установлены более мощные ГТД (662 кВт) со свободной тяговой турбиной, дающей соотношение моментов 2,8 (отношение момента при трогании к моменту при максимальной скорости). Специально спроектировали и построили синхронные генераторы, имеющие максимальную частоту вращения вала 6000 об/мин и частоту переменного тока 200 Гц.

Принципиальная энергетическая схема этого турбовагона приведена на рис. 10. Переключались полюса тяговых двигателей четырьмя контакторами, располагавшими двумя рабочими положениями. При включении контактов 1,2 и 3 обмотки электродвигателей соединяются в треугольник (2р = 8). При их размыкании и одновременном замыкании контактов 4, 5 и 6 обмотки включаются в двойную звезду (2р = 4).
Испытания опытного турбопоезда на Экспериментальном кольце ЦНИИ МПС показали работоспособность его схем и систем как в случае работы одной, так и двух силовых установок. Положительные результаты также получены при исследовании тяговых характеристик асинхронных двигателей в момент тро- гания. Опытная проверка применения ГТД и «прозрачных» электрических передач переменного тока на железнодорожном транспорте, проведенная сотрудниками отделения газотурбинной техники и транспортной энергетики ЦНИИ МПС, позволила сделать выводы о перспективности этого направления работ.

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin