Стремление повысить экономичность паровоза проявлялось давно. Хотя такие устройства, как пароперегреватель, водоподогреватель, вентиляторная газососная тяга и пр., значительно повышают экономичность паровоза, тем не менее его общий коэффициент полезного действия колеблется в пределах 6 – 8%. Как известно, одним из достоинств поршневой паровой машины является её способность развивать высокий вращающий момент, начиная с нулевой скорости, т. е. при трогании локомотива с места и разгоне. Но, с другой стороны, у этой машины имеется серьёзный недостаток – низкий термический коэффициент полезного действия, составляющий примерно 13 – 14%. Поэтому машина паровоза является его слабым звеном, влияющим на снижение коэффициента полезного действия. В свою очередь, двигатель внутреннего сгорания обладает существенным преимуществом в части экономичности работы, но его применение на железнодорожном транспорте встречает целый ряд затруднений в силу специфических особенностей конструкции. Это привело создателей автономных локомотивов к мысли совместить в одной машине ценные свойства обоих двигателей так, чтобы локомотив мог в любой момент тронуться с места и набирать скорость подобно обычному паровозу, а в зоне средних и высоких скоростей – работать подобно тепловозу. Именно таким локомотивом и является теплопаровоз. Основное отличие этого типа локомотива от стандартного паровоза заключается в применении специального типа и конструкции двигателя, в котором конструктивно объединены в одно целое паровая машина и двигатель внутреннего сгорания. Теплопаровоз представляет собой локомотив, на котором главным является двигатель внутреннего сгорания, но имеется также и паровая машина, предназначенная для запуска двигателя внутреннего сгорания и разгона поезда, а также для работы на подъёмах совместно с двигателем внутреннего сгорания. Паровая машина может быть использована и на более лёгких участках при обогревании парового котла только выхлопными газами двигателя. Поскольку двигатель теплопаровозов непосредственно соединён с движущими колёсами, эти локомотивы относятся к тепловозам с непосредственным приводом, которые разгоняются паром. Основные соображения, побуждающие к постройке теплопаровозов, заключались в стремлении улучшить тяговые качества тепловозов с непосредственным приводом. Создание теплопаровозов ставило своей целью повышение коэффициента полезного действия машины, сохраняя при этом свойства паровоза и устраняя недостатки других типов тепловозов непосредственного действия.
Идея практического использования такого комбинированного двигателя имеет уже порядочную давность. Разработанный в 1894 г. видным ученым-механиком Виктором Львовичем Кирпичёвым первый проект русского тепловоза, по сути, также можно назвать первым проектом теплопаровоза, в котором В. Л. Кирпичёв предложил применить в качестве силовой установки на локомотиве две тяговые машины. Первая – паровая, для трогания с места и разгона, и вторая – калоризаторная, нефтяная. В режиме установившегося хода эти машины должны были работать совместно. Позже предполагался и иной вариант: для трогания с места подавать в цилиндры тепловой машины сжатый пар, а после набора скорости – подавать в них же дизельное топливо. Идея В. Л. Кирпичёва позже (1905 – 1920 гг.) была подхвачена русским учёным И. Ф. Ядовым. В трёх типах теплопаровозов, или, как их тогда называли – нефтепаровозов, разработанных И. Ф. Ядовым, трогание с места, разгон и манёвры производились обычными паровыми машинами паровозного типа, работающими паром из котла, действующим по обе стороны поршня. Обычная работа должна была производиться совместно паровыми машинами и двигателями внутреннего сгорания, которые также были связаны с движущими осями локомотива при помощи кулака, шатуна и кривошипа. Вода, охлаждавшая стенки двигателей внутреннего сгорания, поступала в паровозный котёл и служила, в виде пара, рабочей жидкостью паровых машин. В этих типах преследовалось требование получить двойную мощность тепло- паровозов в сравнении с паровозами. При совместном применении дизеля и паровой машины последняя служила для работы задним ходом, а также для охлаждения выпускных окон отработавшим паром. Стенка цилиндра двигателя омывалась то газом, то паром, что способствовало сохранению стенки, в которой паром охлаждался непосредственно нагретый газом слой, и не через всю толщину стенки, что уменьшало потери через стенку. Работы по первому типу теплопаровоза берут своё начало с 1894 г., когда, по идее профессора В. Л. Кирпичёва, И. Ф. Ядов предложил сжимать воздух в отдельном компрессоре до 40 ат и перепускать его в рабочие цилиндры с одновременной подачей соответствующего количества нефти. Сжатие воздуха происходило за счёт живой силы теплопаровоза. На этот локомотив было получено охранительное свидетельство №27584 от 3 ноября 1905 г. Чтобы ослабить давление на движущие оси и упростить рабочие машины, во втором типе теплопаровоза было предложено разделение двигателей внутреннего сгорания на две группы, и предусматривалась их работа по принципу двойного расширения. Пар из паровозного котла в них должен был работать со стороны крышек цилиндров тоже по принципу двойного расширения. В ресивере пар и продукты горения смешивались и работали совместно в цилиндрах низкого давления. Охранительное свидетельство было выдано за №29414 от 16 мая 1906 г. В третьем типе теплопаровоза работа двигателей паровых и внутреннего сгорания передавалась отбойному валу, а при помощи треугольного шатуна – и движущим осями. Охранительное свидетельство заявлено в 1913 г. Этот тип был одобрен Высшей Технической Комиссией НКПС. Работы профессора И. Ф. Ядова по созданию теплопаровозов высоко оценили такие известные в области локомотивостроения учёные как Н. Л. Щукин, А. С. Раевский, С. И. Кербедзь.
В Англии реализацией идеи теплопаровоза занимался инженер Китсон Кларк, применив в своей силовой установке двигатель Стилла, представляющий комбинацию паровой машины с дизельным двигателем, в которой паровая машина в основном использовалась лишь для разгона, а дизельный двигатель – для дальнейшего следования. Допускалась и совместная работа парового и внутреннего сгорания двигателей в различных режимах движения локомотива. Созданный Стиллом двигатель нашёл применение на судах, а позже воплотился в реальные конструкции теплопаровозов, построенных заводами Китсона в Англии и братьев Шнейдер во Франции в конце 1920-х гг. Гильдебранд, занимаясь проблемой теплопаровоза, предложил в цилиндр двигателя после вспышки вводить порцию пара с целью увеличения среднего индикаторного давления. Этот способ не нашёл применения, так как не обеспечивал вспышку и горение на малых скоростях. В России проект теплопаровоза в 1920-е годы предлагал П. К. Христоферсен. Этот проект в основных чертах походил на проект Китсона и также представлял собой комбинацию паровой машины с паровым котлом и двигателя внутреннего сгорания с встречно перемещающимися поршнями. Как и в других проектах, паровая машина предназначалась для работы во всех тех случаях, когда двигатель внутреннего сгорания, по природе своей, работать не может: трогание с места, манёвры, развитие скорости. В предлагаемой комбинации, имеющей целью компенсировать известные дефекты характеристики двигателя внутреннего сгорания, предусмотрено улучшение этой последней и приняты во внимание все вопросы охлаждения воды и использования теплоты отходящих газов и воды. Как и проекты Ядова и Гильдебранда, проект комбинированного локомотива инженера Христоферсена остался на бумаге, так как его система признана громоздкой и сложной в части передачи к ведущим осям. Невыясненной оставалась работа двигателя внутреннего сгорания вхолостую, когда работала только паровая машина. Самым главным и существенным недостатком была признана полная невозможность трогания с места одной паровой машиной при снежных заносах, ибо работа этой машины составляла лишь незначительную часть совместной работы и машины, и двигателя внутреннего сгорания.
В 1927 г. изобретатель тепловозов Г. С. Сидоров получил патент №2728 по заявке от 17 сентября 1924 г. на тепловоз, работающий на парогазовой смеси, приготавливаемой в отдельном котле. В 1928 г. Я. Я. Преде получил патент №5551, заявленный 26 марта 1925 г., на оригинальный локомотив, работающий под давлением продуктов горения и паром. На раме локомотива установлены: паровой котёл, впереди него радиатор, по бокам две поршневые машины и впереди них два компрессора для сжатия воздуха. Цилиндрическая часть парового котла закрыта с обоих концов обычными решётками, в которых укреплены дымогарные трубки. Передние и задние концы дымогарных трубок закрыты крышками с двойными стенками для циркуляции по ним воды из котла и ограждения их от чрезмерного нагрева. Через камеру, образованную передними решёткой и крышкой, проходит паропроводная труба; там же помещается пароперегреватель. Задняя крышка, находящаяся в будке машиниста, имеет головку, внутри которой помещается горелка. Для первоначального воспламенения топлива снаружи имеется запальный шар. По воздушному трубопроводу подводится к горелке под давлением воздух из компрессора. Ответвление подаёт сжатый воздух в запальный шар. В будке машиниста установлен, кроме того, вспомогательный двигатель, работающий только во время подготовки локомотива к работе, приводя в действие компрессор и нефтяной насос; при движении локомотива нефтяной насос действует от ведущего механизма локомотива. Из камеры, ограниченной передней крышкой, горячие газы отводятся по газовому трубопроводу, который имеет двойные стенки, полость между которыми сообщается с водяным пространством парового котла, во избежание чрезмерного нагрева этого трубопровода. Правая машина работает горячими газами из газового трубопровода, а потому она имеет водяную рубашку, сообщающуюся с радиатором, как у двигателя внутреннего сгорания. Подвергаются также охлаждению поршневой шток и дисковый поршень посредством двух качающихся около шарнира на штоке телескопических трубок, причём первая является одновременно циркуляционным водяным насосом. Таким же образом охлаждается шток с поршеньками цилиндрического распределительного золотника в газовом цилиндре и золотниковая коробка.
Охлаждающая вода проходит радиатор, помещающийся впереди и подвергающийся охлаждающему воздействию встречных воздушных течений. Другая поршневая машина работает паром из парового котла и никаких особенностей не имеет. От поршневых штоков газового и парового цилиндра работают два воздушных компрессора, нагнетающие воздух в резервуар, откуда воздух уходит по воздушному трубопроводу. Для большей плотности нагнетаемого воздуха он подвергается охлаждению водой из радиатора. Отработавшие горячие газы и пар проходят экономайзер, а затем поступают в выхлопную трубу. В конце 1930-х годов разработкой теплопаровоза занялся советский инженер Л. М. Майзель. В 1935 г., будучи студентом Московского электромеханического института инженеров транспорта, Л. М. Майзель предложил построить локомотив, сочетающий в себе тепловоз непосредственного действия и паровоз, особенностью которого являлся способ совместной работы паровой машины и двигателя внутреннего сгорания. Паровая машина в этом локомотиве должна была использоваться не только при разгоне, но и при дальнейшем следовании, работая одновременно с двигателем внутреннего сгорания на всём участке работы локомотива. Л. М. Майзель считал, поэтому, что паровая машина должна работать с наименьшим расходом пара и топлива. Другая особенность предложения Л. М. Майзеля заключалась в использовании одного и того же цилиндра, как для цикла паровой машины, так и для цикла двигателя внутреннего сгорания. Новый локомотив Л. М. Майзель назвал теплопаровозом, т. е. дал ему наименование, сочетающее в себе понятия тепловоз и паровоз. Именно Майзель дал наименование «теплопаровоз» и нефтевозу Кирпичёва. Строго говоря, теплопаровоз нельзя отнести ни к паровозу, ни к тепловозу, так как при этом будет характеризоваться лишь одна сторона этого локомотива.
Соответствующим образом обоснованные предложения Майзеля легли в основу рабочего проекта теплопаровоза и, по сути, явились следующим шагом в создании этого локомотива нового типа.
В 1930 – 1940-х гг. была осуществлена постройка трёх опытных теплопаровозов двумя локомотивостроительными заводами по проектам, выполненным НИИЖТом42. Два из них, один – пассажирский, другой – грузовой, создали на Ворошиловградском паровозостроительном заводе с участием конструкторов: А. С. Близнянского, Д. В. Львова и П. А. Сороки. Ещё один, грузовой, построили на Коломенском машиностроительном заводе по проектам Л. С. Лебедянского, М. Н. Щукина и А. И. Козякина. Ворошиловградский завод применил для своего пассажирского теплопаровоза нефтяной двигатель Дизеля и работающую на выхлоп паровую машину, получающую пар от котла. Коломенский завод, выполняя задание построить локомотив, работающий на твёрдом топливе, построил грузовой теплопаровоз с газогенераторным двигателем и паровой машиной с конденсацией. Для конденсации отработавшего в цилиндрах паровой машины пара использован конденсатор такой же конструкции, как и на паровозах СОк. Эти локомотивы были весьма сложными по своему устройству, но расчётный к. п. д. у них более чем в два раза превышал таковой у паровоза.
Созданные на Ворошиловградском и Коломенском заводах отечественные теплопаровозы практически являлись модернизацией паровоза, у них паровая машина заменена парогазовой машиной особой конструкции, одна из особенностей которой – это наличие противоположно двигающихся поршней. Ожидалось, что благодаря такой замене слабого в теплотехническом отношении элемента паровоза – машины, не только существенно увеличится коэффициент полезного действия, но и улучшатся динамические качества, в первую очередь воздействие на путь в связи с лучшей уравновешенностью движущего механизма с разбегающимися поршнями. По сравнению с паровозом должен был уменьшиться расход металла на единицу мощности. Но если паровоз, оставаясь ведущим локомотивом, конкурировал с более совершенными локомотивами, уступая им в экономичности, то указанная модернизация – создание теплопаровоза на базе паровоза – ещё должна была завоевать право на своё существование.
Сочетание паровой машины и двигателя внутреннего сгорания в одном локомотиве должно было позволить производить неограниченное количество пусков теплопаровоза и получить хорошую тяговую характеристику. На низких скоростях, когда мощность локомотива ограничивается сцепным весом, должна была работать паровая машина, а дальше, когда у паровоза мощность ограничивается паропроизводительностью котла, у теплопаровоза одновременно с паром в той же машине должны были начинать работать газы от сгорания топлива. Предполагалось, что такое сочетание процессов значительно повысит общую мощность локомотива и сделает теплопаровоз более экономичной машиной по сравнению с паровозом при эксплуатации с высокими скоростями, позволяющими длительно использовать более мощный и экономичный двигатель внутреннего сгорания. Цилиндры при работе теплопаровоза охлаждались следующим образом: вода с тендера прокачивалась через рубашки цилиндров, нагревалась до 80 – 90°С, а затем сбрасывалась в специальный отсек тендера, расположенный в верхней его части. Горячая вода самотёком подходила к питательному насосу и поступала в котёл. Парогазовая машина теплопаровоза реверсивная. Ход локомотива изменялся действием парораспределительного механизма.
Коэффициент полезного действия теплопаровоза был определён конструкторским бюро Ворошиловградского завода в 14 – 15%. В теплопаровозе можно сжигать в цилиндрах более низкосортное топливо, чем в обычном двигателе внутреннего сгорания, так как он не имеет клапанов и при трогании с места машина работает на паре, который смывает все осадки. Достаточно сказать, что при опытных поездках опробовали сжигание топочного мазута марки 20. Учитывая, что теплопаровоз мог работать на низкосортном топливе, таком как уголь, мазут, ожидалось, что стоимость топлива на измеритель в 10000 ткм будет ниже, чем у других экономичных локомотивов. Считалось, что такой локомотив благодаря работе не только котла, но и дизеля сможет делать значительные пробеги между наборами воды, топлива и промывками котла, превышающие в несколько раз соответствующие пробеги паровозов. Ожидалось, что теплопаровоз, представляющий собой совмещённую в одно целое машину паровоза и тепловоза с непосредственным приводом, позволит получить не менее 50% экономии топлива по сравнению с паровозом. В конце 1930-х гг. одно из преимуществ теплопаровоза перед тепловозом также виделось в том, что, используя строительную и ремонтную базу паровозов, он мог выпускаться существующими паровозостроительными заводами и быть легче освоен в эксплуатации работниками паровозных депо, чем тепловоз с электрической передачей. Поскольку теплопаровоз сохранял основной конструктивный облик паровоза и все его основные элементы, имелась возможность наиболее просто и дёшево осуществить переход с паровой на дизельную тягу на железных дорогах и от паровозостроения к теплопаровозостроению на машиностроительных заводах. Специального по сравнению с паровозом ухода и ремонта требуют только топливные насосы, форсунки и отбойные валы. В этом заключалось основное преимущество телопаровоза по сравнению с другими видами экономичных локомотивов. Это давало основание полагать, что в будущем теплопаровоз получит широкое распространение на железных дорогах СССР.
Усложнение локомотивов, связанное с дальнейшим повышением коэффициента полезного действия, приводит к увеличению стоимости ремонта и вызывает необходимость перестройки ремонтной базы. В 1940-е гг. стоимость ремонта паровоза относилась к стоимости сжигаемого топлива как 1:2,5. Это довольно значительное соотношение, что дало основание сделать убедительный вывод о том, что нецелесообразно усложнять теплопаровоз из-за небольшой экономии топлива.
В конструктивном отношении применение парогазового цикла позволяло полностью исключить в дальнейшем сальники, параллели, втулки, уменьшить количество золотников и протяжённость парового трубопровода. Такой локомотив по существу являлся модернизацией паровоза в части машины, так как все остальные узлы и детали взаимозаменяемы с серийными мощными паровозами на 80 – 85%. Подобная модернизация паровоза должна была обеспечить экономию топлива по срав- нению с паровозом равной мощности в 2 – 3 раза, увеличить пробеги без набора воды и топлива до 350 – 400 км с использованием обычного тендера.
Постановка отбойных валов улучшает вертикальное воздействие на путь, освобождает от ведущего колеса и тем самым значительно удлиняет пробег между обточками бандажей. Такой локомотив мог развивать большую мощность при относительно небольшом паровом котле, так как его машина сама вырабатывает дополнительную энергию в цилиндрах. Уменьшенный котёл позволял отказаться от стокера, камеры догорания, уменьшался объём ремонта котла и сокращался расход топлива на стоянках в ожидании работы. За счёт уменьшения веса и размеров котла снижалась и затрата металла на единицу мощности, но при этом сохранялась мобильность, присущая автономному локомотиву. Так как теплопаровоз мог совершать пробеги без экипировки до 400 км, сокращалась потребность в локомотивах и экипировочных устройствах.
На теплопаровозы возлагались большие надежды, но им не суждено было сбыться. Как показали опыты, коэффициент полезного действия построенных теплопаровозов в эксплуатации оказался равен 10 – 12%, что не намного выше коэффициента полезного действия паровозов, и значительно ниже, чем у тепловозов. Это объясняется большими потерями тепла при растопке паровозного котла и на стоянках. Наличие котла, как достаточно массивного и наиболее чувствительного элемента паровоза, является существенным недостатком теплопаровоза. У паровой машины и дизеля не совпадают оптимальные значения степени сжатия, а потому их искусственное совмещение в одном цилиндре не оправданно. Для экономичной работы дизеля требуется степень сжатия, превышающая более чем в два раза оптимальную степень сжатия паровой машины. Поэтому, если двигатель внутреннего сгорания в нормальных условиях имеет удельный расход жидкого топлива около 180 г/л.с.ч, то на теплопаровозе он будет расходовать 230 – 250 г/л.с.ч. Паровая машина теплопаровоза также работает менее экономично, чем машина обычного паровоза. Следовательно, раздельное использование жидкого и твёрдого топлива соответственно на тепловозах и паровозах экономически более эффективно.
Теплопаровоз, теряя положительные качества паровоза – простоту конструкции, надёжность в эксплуатации, возможность работы на любом виде топлива, сохраняет все его отрицательные свойства – колебания силы тяги при обороте колеса, трудоёмкий ремонт котла. В послевоенное время была налажена серийная постройка тепловозов с электрической передачей, имеющих коэффициент полезного действия на наивыгоднейших режимах работы 26 ÷ 27% и наиболее полно использующих мощность двигателя в широком диапазоне скоростей.
Все эти причины послужили основанием для прекращения в начале 1950-х гг. работы над теплопаровозами.
Поддержите канал-поставьте лайк.
