Проектирование и сооружение грузового теплопаровоза было возложено на Коломенский машиностроительный завод им. Куйбышева, который в июле 1939 г. начал проектировать по заданию НКПС грузовой теплопаровоз с газогенератором, работающий на твёрдом топливе (угле). Теплопаровоз с осевой формулой 1—5—1 должен приводиться в движение двигателями: паровыми, получающими пар от котла, расположенного на раме теплопаровоза, и газовыми, получающими газ из антрацитового газогенератора, установленного на тендере. В соответствии с заданием он должен был иметь силу тяги не менее 21000 кгс, т. е. одного порядка с силой тяги паровозов ФД, и развивать мощность 3000 – 3500 л.с., из которых до 2000 л.с. – газовыми двигателями и 1000 – 1500 л.с. – паровыми. Ведущими конструкторами теплопаровоза были инженеры Л. С. Лебедянский, М. Н. Щукин и А. И. Козякин. Теплопаровоз Коломенского завода представлял собой уникальную машину, не имевшую аналогов за рубежом. На ней провели экспериментальную проверку многих оригинальных агрегатов и технических решений. На теплопаровозе были применены вентиляторная тяга и пылеугольное отопление, вводимые в то время на многих паровозах при их модернизации. Для облегчения постройки и последующей эксплуатации теплопаровоза при проектировании в его конструкции был использован ряд узлов и деталей паровозов серий ФД, ИС, СО и Су. Паровой котёл с пароперегревателем, дымосос, газовый водоподогреватель, механизированный углеподатчик, конденсаторы пара конструкторы теплопаровоза позаимствовали у лучших паровозов. Угольный газогенератор и газовый двигатель внутреннего сгорания с наддувом и встречно движущимися поршнями были новыми элементами, не применявшимися ранее в практике отечественного локомотивостроения.
Грузовой газогенераторный теплопаровоз имел четыре цилиндра, образующих два блока, по одному с каждой стороны рамы. Цилиндровые стальные блоки расположены над первой, второй и третьей сцепными колёсными парами. Каждый цилиндровый блок представлял два горизонтальных цилиндра, расположенных друг над другом. Правый и левый блоки соединялись в вертикальной плоскости фланцами, находящимися на продольной оси теплопаровоза и лежали промежуточной своей частью на раме локомотива, образуя опору передней части котла.
В каждом цилиндре помещались два разбегающихся поршня, разделяющих внутреннее пространство цилиндров на три рабочие полости. Средняя полость каждого цилиндра, находящаяся между поршнями, являлась рабочей частью цилиндра газового двигателя внутреннего сгорания с двухпоршневой прямоточной продувкой. Крайние полости, расположенные между каждым поршнем и крышкой, использовались как цилиндры паровой машины. Всего на теплопаровозе размещалось четыре одностороннего действия газовых двигателя и четыре одностороннего же действия паровые машины. Диаметр цилиндров – 500 мм, ход поршней – 700 мм.
Применение на грузовом теплопаровозе с каждой стороны двух цилиндров вместо одного, как это сделано на пассажирском теплопаровозе, оказалось необходимым по габаритным условиям, вследствие малого среднего индикаторного давления газогенераторных двигателей по сравнению со средним индикаторным давлением дизелей. Необходимо отметить, что в соответствии с более высоким средним индикаторным давлением дизелей, в пассажирском теплопаровозе повышено и среднее индикаторное давление в паровых полостях цилиндров за счёт повышения давления пара в котле с 13 до 20 атм.
В четырёх цилиндрах грузового теплопаровоза 1—5—1 восемь его поршней описывали объём 1,099 м3, между тем как четыре поршня пассажирского теплопаровоза описывали объём 0,447 м3. Общий поршень двигателя и паровой машины имел вид закрытого цилиндра со скалкой, на внутреннем конце поршня располагались уплотнительные кольца двигателя, а на наружном, у скалки – уплотнительные кольца паровой машины. Для получения более равномерного вращающего момента верхний и нижний поршни каждой стороны блока совершали движения противоположного направления. При таком устройстве достаточная равномерность вращающего момента, имеющая место и при работе только в газовых полостях, давала возможность на участках лёгкого профиля, т.е. на больших скоростях и при малых силах тяги, выключая пар, работать лишь на газе и повышать этим общий коэффициент полезного действия локомотива. На пассажирском же теплопаровозе, у которого имелось только по одному цилиндру с каждой стоны локомотива, выключение пара и работа на одной нефти приводила к значительной неравномерности вращающего момента, свойственной машине одностороннего действия. Движение от поршней передавалось двум балансирным валам, а от них – двум отбойным валам. Двигаясь в противоположные стороны, поршни цилиндров через крейцкопфы и шатуны действовали на сидящие на балансирных валах качающиеся коромысла, которых на теплопаровозе имелось четыре, расположенных по два на каждом валу. На концах коромысел были насажены кривошипы, от которых движение наклонными шатунами передавалось отбойным валам, расположенным на линии центров сцепных осей и связанным шатунами с ведущими колёсами. Отбойные валы, расположенные в одной горизонтальной плоскости с осями колёсных пар, имели кривошипы, расположенные под углом 90° друг к другу, причём правый палец опережал левый.
Верхние валы удерживались в своих подшипниках шпренгельной конструкцией, состоящей из стоек, подкосов и тяг; последние укреплялись в гнёздах цилиндрового блока. Движение от отбойных валов передавалось шатунами на пальцы второй и четвёртой сцепных колёсных пар. Все пять сцепных колёсных пар соединены между собой дышлами обычного типа. Рессорное подвешивание сцепных колёсных пар – нижнее, американского типа. Диаметры: сцепных колёс – 1500 мм, передних бегунков – 900 мм, задних поддерживающих колёс – 1050 мм.
Каждая пара паровых машин (верхняя и нижняя каждой стороны) обслуживалась одной золотниковой коробкой, в которой двигался один парораспределительный золотник диаметром 250 мм. Парораспределительные золотники управлялись бескулисными механизмами системы Маршаля, позволяющими ускорять отсечку и впуск пара в цилиндр за счёт повышения скорости движения золотников в моменты открытия и закрытия окон. Перевод парораспределительных механизмов производился сервомотором. Газовая часть цилиндров работала по двухтактному циклу. Продувочные окна расположены во втулках цилиндров. Золотников и клапанов не было. Зажигание газа производилось электрическими свечами, ввёрнутыми в тело цилиндров. В зоне газовых двигателей стенки цилиндров имели водяное охлаждение. Газ и воздух подавались в цилиндр турбовоздуходувкой, приводимой в действие паровой турбиной, работающей острым паром. Ротор воздуходувки делал 9000 об/мин; на нём насажены диск паровой турбины мощностью 300 л.с., диск компрессора (по одну сторону от турбины), нагнетающего с повышением температуры от 65 до 112°С и давления от 0,88 атм. до 1,2 –1,25 атм. 4300 м3/ч газа, засосанного из газогенератора, и диск компрессора (по другую сторону от турбины), нагнетающего 11500 м3/ч воздуха при давлении 1,2 атм. с повышением температуры от 30 до 52°С. Окружная скорость – до 300 м/с, масса турбовоздуходувки – 1200 кг, давление пара после турбины – 1,6 атм. Давление конца сжатия в газовом двигателе 14 – 16 атм, давление вспышки 28 – 30 атм. В каждом цилиндре имелось по три свечи, расположенных под углом 90° по поперечному сечению цилиндра (внешняя сторона не имела свечи). Система зажигания питалась током от аккумулятора 12 В, поступающим в бобину. В бобине ток трансформировался до напряжения 12000 – 20000 В; для каждой свечи имелась отдельная бобина.
Котёл, питающий паром паровую машину теплопаровоза, в целях использования штампов и деталей, близок по конструкции (внешним формам и размерам) к котлу паровоза Су, отличаясь от него несколько меньшей длиной жаровых и дымогарных труб. Регулятор поставлен за перегревателем. Испаряющая поверхность котла 171,5 м2, поверхность пароперегревателя 80,5 м2, площадь колосниковой решётки 4,67 м2. В котле имелось 98 дымогарных труб диаметром 51/46 мм и 40 жаровых труб диаметром 133/125 мм, а в топке – три кипятильные трубы. Длина труб между решётками составляла 4650 мм. Отношение испаряющей поверхности нагрева к площади колосниковой решётки равно 36,0; отношение поверхности пароперегревателя к испаряющей поверхности нагрева – 0,47. Температура пара после перегревателя – 350°С.
Для получения газа из антрацита на тендере был установлен газогенератор. Газогенератор работал по прямому процессу, имел наклонную (коническую) колосниковую решётку, которая могла вращаться при помощи привода от электродвигателя во избежание образования шлаковой корки при остановке теплопаровоза и вообще при отсутствии отбора газа, когда температура в зоне горения понижалась. Производительность генератора составляла 4750 м 3/ч газа с низшей теплотворной способностью 1200 ккал/м3. Газ вырабатывался из антрацита АС (семячко). Из газогенератора газ отбирался в двух местах и поступал в котлы-утилизаторы (водоподогреватели), в которых он протекал по трубкам, нагревая омывающую их воду, температура его при этом снижалась с 700 до 250°С. Вода, нагретая до 200°С, поступала в паровой котёл, давление в котором, так же как и в водяном пространстве водоподогревателя, было 13 атм. При уменьшении количества пропускаемой через водоподогреватели воды они сами работали как паровые котлы. Общая поверхность нагрева двух водоподогревателей составляла 66,8 м2. После водоподогревателей газ проходил через фильтры грубой очистки, в которых осаждались крупные частицы пыли, и затем поступал в первую ступень калорифера, где охлаждался до 130°С, омывая трубки с водой, нагревая последнюю до 100 – 102°С, и подогревая воздух, идущий на неполное горение антрацита в газогенераторе. Нагретая вода шла в рубашку цилиндров двигателя. Далее газ проходил вторую ступень калорифера, где охлаждался до 80 – 100°С и поступал в фильтр тонкой очистки с кольцами Рашига. Корпус фильтра тонкой очистки разделён горизонтальными перегородками с насыпанными на них слоями колец, в данном случае керамических, диаметром 25 мм, высотой 25 мм с толщиной стенки 2,5 мм. На этих кольцах выделялась вода из газа и к ним прилипала лёгкая пыль, ещё оставшаяся в газе. Здесь газ полностью освобождался от угольной пыли. Кольца периодически промывались. Дважды очищенный газ поступал в газовую камеру турбовоздуходувки, помещённой в передней части локомотива, а оттуда – в цилиндры газовых двигателей теплопаровоза, одновременно смешиваясь с наддуваемым в средние полости цилиндров воздухом, и после сжатия воспламенялся искрой свечи. Подогретая во второй ступени калорифера вода направлялась в бак тендера. При такой схеме в значительной мере использовалась физическая теплота газов, что существенно повышало общий коэффициент полезного действия газогенератора, который достигал 90%.
По имеющимся неполным данным, потеря давления во всей газогенераторной установке при испытаниях в стационарных условиях не превышала 400 мм вод. ст. Вся газогенераторная установка длиной 5 м расположена на тендере. После стоянки теплопаровоза газогенератор не нуждался в новом розжиге, даже при длительности стоянки до двух недель. Нужно было только медленное проворачивание колосниковой решётки, чтобы не допустить её зашлаковывания. Отработавший в паровых цилиндрах и турбинах пар поступал в конденсатор типа конденсатора паровозов СОк, расположенный в задней части тендера, где конденсировался в воду, которая снова поступала в паровой котёл. Конденсатор, являющийся, по сути, комбинированным конденсатором-холодильником, отводил при температуре наружного воздуха 25°С, от двигателя и газоохладителя 2,3×106 ккал/ч тепла и конденсировал 13000 кг/ч пара. Конденсатор имел 21 секцию двойного охлаждения общей поверхностью 3420 м2. Воздух для охлаждения прогонялся тремя пропеллерными вентиляторами, приводимыми во вращение паровой турбиной мощностью 300 л.с. Питание котла водой из конденсатного бака производилось с помощью турбонасоса. Второй турбонасос служил для циркуляции воды в охлаждающей системе двигателя. Тендер имел запасы сырой воды в баках 10,6 м3, а в конденсатном баке и в системе охлаждения – 4 м3. Топливо размещалось в газогенераторе и в бункере над ним. Локомотив мог совершать пробег до 370 км без пополнения запасов топлива, составляющих 6 т антрацита для генератора и 10,7 т угля для котла. Для лучшей видимости пути и сигналов пост управления у теплопаровоза вынесен в будку машиниста, размещённую над передним буферным брусом впереди котла; будка же, размещённая за котлом, предназначалась для персонала, обслуживающего котёл, газогенератор и конденсатор. Общая масса теплопаровоза в рабочем состоянии (без тендера) 163 т, сцепная масса – 120 т. Масса тендера с полными запасами – 134 т. Колёсные базы теплопаровоза: с тендером – 29300 мм, без тендера – 12350 мм, сцепная – 6500 мм, тендера ‒12900 мм. Полная длина теплопаровоза с тендером по буферам – 33900 мм. Конструкционная скорость 85 км/ч. Определённый расчётами коэффициент полезного действия достигал 11%, при котором теплопаровоз должен был давать при одинаковых условиях работы экономию топлива до 40% по сравнению с паровозом ФД, имеющим коэффициент полезного действия 7%.
Теплопаровоз при разгоне приводился в движение паром, и все цилиндры работали как паровая машина. Когда скорость теплопаровоза достигала 12 – 15 км/ч, подача пара в средние полости прекращалась, а вместо него начинала поступать смесь воздуха и генераторного газа, получаемого из антрацитного газогенератора, установленного на тендере. С этого момента начиналась совместная работа газовых двигателей и паровых машин. В момент переключения, как это видно на тяговой характеристике, наблюдался скачок силы тяги. Теплопаровоз развивал мощность 3000 л.с., из которых ~2000 л.с. приходились на газовые двигатели, и по тяговым качествам был эквивалентен паровозу серии ФД, что соответствовало техническому заданию. Коэффициент полезного действия теплопаровоза почти не отличался от расчётной величины и составлял 10 – 11%. То обстоятельство, что экономичность этого теплопаровоза почти не уступает экономичности дизельного теплопаровоза 1―4―1, объясняется тем, что, во-первых, газовый двигатель имеет почти такую же степень сжатия, как дизель в теплопаровозе Майзеля (давление сжатия одинаково). Это обеспечивает, как известно, преимущество газовому двигателю. Во-вторых, в теплопаровозах вообще очень велики потери в паровой части, а потому влияние различия в коэффициентах полезного действия газовых двигателей и дизелей становится мало заметным в общем коэффициенте полезного действия локомотива. Локомотив был изготовлен всего за пять месяцев. 26 декабря 1939 г. теплопаровоз типа 1―5―1, получивший обозначение ТП1‒1 (теплопаровоз, 1 вариант, №1; заводской номер и название были такими же, как и у теплопаровоза Ворошиловградского завода – 8000, «Сталинец»), совершил первый пробный пробег от станции Голутвин до станции Луховицы, в сторону Рязани. После ряда доводок и испытаний в июне 1940 г. теплопаровоз ТП1—1 прибыл в Москву и поступил на экспериментальное кольцо Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. В июле – ноябре 1940 г. он сделал 76 опытных поездок, пробежав при этом 1790 км. Несмотря на интересные замыслы, вложенные в конструкцию газогенераторного теплопаровоза, над созданием которого работал большой коллектив видных конструкторов (Л. С. Лебедянский, М. Н. Щукин, А. И. Козякнн, Р. И. Шарговский и др.), он получился весьма громоздким. Нормально устойчивая работа двигателя получалась только при скорости не выше 25 – 30 км/ч; на скоростях 40 – 45 км/ч двигатель работал нормально только 10 – 15 мин, а затем, в момент зарядки двигателя газовоздушной смесью, появлялись преждевременные вспышки топлива, вызывавшие шум. В первой половине 1941 г. Коломенский машиностроительный завод устранил на теплопаровозе отдельные дефекты и для предотвращения преждевременных вспышек уменьшил длину головок поршней, понизив тем самым давление сжатия. Начавшаяся война не позволила продолжить работы по изучению и доводке теплопаровоза. В 1942 г. он был разоборудован, за исключением тендера с газогенераторной установкой, который долгое время находился на опытном кольце ЦНИИ МПС.
Теплопаровоз Коломенского завода являлся единственным в мире локомотивом с газовым двигателем. Полученный при его постройке и испытаниях опыт был использован в последующем при создании газогенераторных тепловозов.
Поддержите канал-поставьте лайк.
