История развития газотурбовозостроения уходит в 40—50-е годы ХХ века, когда о газовой турбине стали говорить, как о реальном и с большими перспективами тепловом двигателе. Успешное внедрение газотурбинных двигателей в авиации приводило к мысли о целесообразности использования турбин и в наземном, в частности железнодорожном, транспорте. Первым в мире был газотурбовоз № 1101, построенный в 1941 г. Швейцарским локомотивостроительным заводом и фирмой Броун—Бовери. Газотурбинный двигатель локомотива в целом соответствовал уровню развития этой техники в тот период. Двигатель был одновальным, регенеративной схемы с температурой газов перед турбиной 600° С. Мощность на валу — 2200 л.с. В качестве передачи использовалась электрическая постоянного тока тепловозного типа Несмотря на наличие регенератора, к. п. д. двигателя на номинальном режиме составлял 14%. После четырехлетних доводочных испытаний газотурбовоз был передан на дорогу для эксплуатационной работы. Степень использования мощности в поездках не превышала 50% и поэтому эксплуатационный к. п. д. локомотива находился на уровне 7,1—9,4%.
Продолжая работы в области газотурбовозостроения, фирма Броун— Бовери в 1949 г. по заказу английских железных дорог построила второй газотурбовоз № 18000. В основном он повторял принципиальную и конструктивную схему своего предшественника и только по ГТД были внесены некоторые изменения — повышена частота вращения и число ступеней турбины, понижена степень регенерации. К концу 1959 г., пройдя капитальный ремонт, газотурбовоз пробежал с поездами 570 000 км, причем турбина наработала 9730 ч.
В 1950 г. английская фирма Метрополитен — Виккерс построила газотурбовоз (№ 18100), перейдя уже к более высокому уровню мощности — 3000 л. с. Двигатель так же был одновальным, без регенерации, но температура газов достигла уже 700° С. В результате к. п. д. на валу возрос до 19%, а для локомотива в целом с учетом потерь в электрической передаче составил 15—15,5%. Газотурбовоз достаточно длительное время эксплуатировался в пассажирском движении.
Около 10 лет английские фирмы не строили газотурбовозов и известны были только проектные разработки фирмы Парсонс турболокомотива на пылеугольном топливе. В 1961 г. поступил в эксплуатацию газотурбовоз фирмы Инглиш-Электрик, который был заметным шагом вперед в этой области. На локомотиве использовали двухвальный ГТД с регенератором и механическую передачу. Мощность двигателя — 2700 л.с., температура газов перед турбиной 777° С и степень регенерации —-0,6. К. п. д. на валу двигателя достиг 24%. Механическая передача была выполнена в виде зубчатого понижающего и реверс-редукторов и дышловой системы паровозного типа.
Наибольший опыт строительства и эксплуатации газотурбовозов имеет США. Этой проблемой занимались ряд фирм: Вестингауз, Дженерал-Электрик, Алко, Аллис—Чалмерс, Элиот, Балдвин, Боинг.
Фирма Вестингауз в 1948—1949 гг. построила один газотурбовоз мощностью 4000 л. с. с двумя ГТД (по 2000 л.с.), работающими на единую электрическую передачу постоянного тока. Температура газов в двигателе была 732° С. Этот газотурбовоз работал на ряде дорог США с грузовыми и пассажирскими поездами и совершил общий пробег 112 000 км.
В 1948 г. фирмы Дженерал-Электрик и Алко построили свой первый газотурбовоз № 50 мощностью ГТД 4870 л. с. (4500 л.с. на тягу и 370 л. с. на вспомогательные нужды) с электрической передачей постоянного тока; двигатель простейшей схемы, без регенератора с температурой газа перед турбиной 700° С. С августа 1949 г. по март 1951 г. газотурбовоз эксплуатировался на дороге Юнион-Пасифик и имел пробег 151800 км; эксплуатационный к. п. д. был на уровне 13,6%.
Успешная эксплуатация газотурбовоза № 50 позволила дороге Юнион-Пасифик сделать заказ фирмам на 25 односекционных локомотивов такого типа. Первые 10 машин (№ 51—60) из этой партии поступили в эксплуатацию в 1952 г., а остальные — к концу 1954 г. Газотурбовозы весьма интенсивно эксплуатировались на тяжелых участках магистрали: Огден — Омаха (1593 км) и Шайен-Канзас Сити (1200 км), проходящих по очень пересеченной местности со значительным изменением температур (от +38 до —35° С).
Эксплуатационный к. п. д. локомотивов достигал 11—12% при номинальном значении 14%, что свидетельствует об очень высоком коэффициенте использования мощности. Крайне важно, что газотурбовозы работали на тяжелом топливе, типа облегченного мазута, стоимость которого была почти вдвое ниже дизельного.
К концу 1955 г. дорога Юнион-Пасифик уже располагала большим, более чем пятилетним опытом эксплуатации газотурбовозов — общая наработка локомотивами достигла 1,5 млн. ч. Опираясь на это, фирмам Дженерал-Электрик—Алко был выдан новый заказ на постройку партии газотурбинных локомотивов, но значительно более высокой мощности двигателей — 8500 л.с. (на высоте 1829 м над уровнем моря). Предполагалось с введением в эксплуатацию этих машин на 25% повысить скорость перевозки грузов на магистрали.
Примерно к середине 1961 г. фирмы завершили поставку дороге 30 газотурбовозов 8500 л. с. и, таким образом, общий газотурбинный парк достиг 55 тяговых единиц.
Газотурбовозы 8500 л. с. выполнены в виде двух силовых секций и прицепного топливного тендера. В первой секции размещены все вспомогательное оборудование и дизель мощностью 1000 л. с. с запасом дизельного топлива около 9,5 т. Основная силовая установка сосредоточена в средней секции. Общая длина локомотива 40,4 м. Многосекционная конструкция позволила отказаться от четырехосных тележек, применявшихся в ранее построенных газотурбовозах, и перейти к обычным трехосным. Газотурбинный двигатель локомотивов 8500 л.с., как и ранее, был одновальный, простой термодинамической схемы с 16-ступенчатым компрессором и двухступенчатой турбиной. Температура газов перед турбиной составляла 788° С и к. п. д. на расчетном режиме — около 20%.
В 1954 г. фирмой Боинг был построен маневровый газотурбовоз мощностью 320 л. с. с механической передачей. Его энергетическая установка состояла из двух двухвальных двигателей, работающих параллельно. Тяговые турбины передавали мощность движущим колесам через трехступенчатый зубчатый редуктор, сдвоенную гидравлическую муфту, муфту сцепления, планетарный редуктор и дышловый механизм. Несмотря на достаточно высокую температуру газов перед турбиной—843°С, двигатели имели к. п. д. только около 13%, что можно объяснить низким расчетным соотношением давлений сжатия в компрессоре, и по-видимому, невысокими к. п. д. турбомашин. Для повышения эксплуатационного к. п. д. в силовой установке была предусмотрена возможность отключения одного двигателя при требуемой внешней нагрузке менее 50% номинальной мощности.
В 1957—1959 гг. завод им. В. И. Ленина в ЧССР построил два опытных газотурбовоза мощностью первичных двигателей 3200 л. с.
Особенностью этих локомотивов было использование регенеративных двухвальных двигателей и механической передачи. При достаточно умеренных термодинамических параметрах двигатель на расчетном режиме показал к. п. д. 22%, что следует отнести за счет высокой эффективности турбомашин. В опытах была зафиксирована степень регенерации. А это значит, что тяжелый трубчатый регенератор не только не дал ожидаемого эффекта, но и напротив, явился одним из наиболее неприемлемых элементов силовой установки. Механическая передача допускала одно переключение скорости, однако в эксплуатационных условиях этого сделать не удавалось. Серьезные осложнения при трогании поездов с места вызывала низкая приемистость двигателя.
Следует несколько остановиться на газотурбовозах с комбинированными первичными двигателями. В этой связи последние можно разделить на две категории: 1) функции генератора рабочего тела отведены дизелю, а расширительной машиной является свободная газовая турбина; 2) газотурбинный двигатель и дизель работают параллельно в рамках единой силовой установки.
По первой схеме с использованием свободнопоршневых генераторов газа (СПГГ) было создано два газотурбовоза во Франции и с комбинацией дизель-генератора и турбины — один локомотив в Швеции.
Первый газотурбовоз с СПГГ был построен в 1952 г. заводами Рено. Силовая установка состояла из свободнопоршневого генератора газовой турбины и механической передачи (коробка скоростей, карданные валы, осевые редукторы). Локомотив имел очень высокий к.п.д.— 32—33%, что определилось высокими экономическими показателями и дизель-газотурбинного процесса и механической передачи. В 1960 г. эти же заводы построили второй локомотив с двумя подобными силовыми установками, работающими независимо на каждую тележку.
В 1955 г. на железных дорогах Швеции вступил в опытную эксплуатацию построенный фирмой Гетаверкен газотурбовоз мощностью 1000 л.с. с механической передачей. Силовая установка состояла из поршневого генератора газа (двухтактный пятицилиндровый дизель с противоположно движущимися поршнями) и газовой турбины. К.п.д. газотурбовоза достигал 31,5%.
Фирмой Клекнер—Гумбольдт—Дойц в ФРГ в 1968 г. был построен опытный образец дизель-газотурбинного локомотива. Дизель мощностью 2150 л.с. и ГТД мощностью 900 л.с. работали на общую гидравлическую передачу. Дизель через карданный вал и турбина через редуктор приводили в действие не связанные между собой насосные колеса, которые в свою очередь воздействовали на колеса гидравлических турбин, посаженных на общий вал. ГТД используется около 30—40% времени поездки в режимах разгона поезда для сообщения необходимых ускорений и при реализации максимальной мощности. Остальную нагрузку берет на себя дизель. После успешной эксплуатации первого газотурбовоза была построена партия таких локомотивов. В серийных машинах мощность дизеля увеличена до 2500 л.с., а газовой турбины—до 1200 л.с.
Поддержите канал-поставьте лайк.