Впервые предложение и подробная разработка теории и конструкции газовой передачи были сделаны студентом высшего Императорского Московского технического училища А. Н. Шелестом в 1911 – 1912 гг. К 1913 г. А. Н. Шелест под руководством профессора В. И. Гриневецкого разработал дипломный проект, весьма оригинальный по своему замыслу. В то время не было никакой литературы по тепловозам. Паровозники не знали двигателей внутреннего сгорания, а специалисты по двигателям – паровоза. В Швейцарии заводом братьев Зульцер строился первый тепловоз с непосредственным приводом. А. Н. Шелест решил взяться за теоретическое исследование этого тепловоза. Исследование показало полную непргодность такого тепловоза для железнодорожного транспорта. В расчёте тепловоза была допущена принципиальная ошибка, несмотря на участие в его постройке крупнейших научных сил Запада.
Алексей Нестерович Шелест высказал мысль о возможности применения механического генератора газа для различных силовых установок и в том числе для тепловозов. Он всесторонне изучил во время своего дипломного проектирования имевшийся в то время материал по тепловозам с непосредственным приводом, особенно по тепловозу братьев Зульцер. По результатам своих исследований он пришёл к заключению, что новый локомотив должен обладать такой передачей между двигателем и движущими колёсами, которая позволила бы изменять силу тяги по равнобокой гиперболе, так как только в этом случае тепловоз может работать с постоянной мощностью при различных скоростях. Такой передачей могла бы быть механическая, электрическая, пневматическая или гидравлическая, но состояние промышленности того времени не позволяло осуществить вполне надёжный тепловоз с одной из таких передач. Поэтому А. Н. Шелест предложил в 1912 г. новый принцип работы тепловых двигателей, применив механический генератор сжатого газа. Достоинства этого генератора заключаются в том, что он обладает высоким к. п. д. и значительно проще по устройству и в эксплуатации в сравнении с другими двигателями. При использовании его на тепловозе или другом тяговом экипаже механическая связь с колёсами не требуется.
Исследование А. Н. Шелеста явилось первой научной работой по тепловозостроению и заложило основы тяговых расчётов тепловозов. Эта работа не потеряла своего значения и до настоящего времени. Проекты тепловозов с механическими генераторами газа. А. Н. Шелест придерживался схем тепловозов В. А. Штукенберга и Денлопа, в которых было заложено стремление сохранить цилиндры паровозной машины, а также регулирование силы тяги с помощью регулятора и парораспределительного механизма. Однако в отличие от указанных схем он предлагал применять в цилиндрах машины не воздух, а продукты горения с впрыскиванием в них воды для понижения температуры. Смелую идею Шелеста специалисты оценили очень высоко, но в царское время проект остался неосуществлённым. Хотя впоследствии А. Н. Шелест несколько отошёл от своего первоначального замысла, тем не менее, главные соображения, положенные в основу проекта, сохранились и оставили значительный след в истории создания тепловоза. По мысли А. Н. Шелеста, тепловоз должен иметь две тепловые машины. Первая является генератором энергии, вырабатывающим сжатый газ. Эта машина не производит внешней работы и в качестве генератора энергии заменяет собой котёл. Вторая машина – расширительная, работающая этим газом по принципу любого парового или воздушного поршневого двигателя и в качестве локомотивного двигателя заменяющая собой паровозную машину. Между этими двумя машинами не должно быть никакой кинематической связи. Частота вращения вала генератора газа обусловливается его потребным расходом, что обеспечивает постоянство мощности тепловоза при любых скоростях, в зависимости не от скорости движения, а лишь от количества сжигаемого топлива и частоты вращения вала. Число ходов поршня в минуту расширительной машины, непосредственно связанной с движущими осями, определяется скоростью тепловоза, а её мощность и сила тяги, как и в паровозе, давлением впуска и степенью наполнения цилиндров, причём сила тяги, так же, как и у паровоза, возрастает с уменьшением скорости. От этой системы тепловоза можно заранее ожидать такой же эластичности в отношении силы тяги и такой же простоты в управлении, как у паровоза. Изобретение А. Н. Шелеста объединяло идею В. И. Гриневецкого осуществлять рабочий цикл в нескольких последовательных машинах с идеей воздушной передачи В. А. Штукенберга. В передаче Шелеста силовая установка передавала энергию тяговой поршневой машине или турбине не путём сжатия воздуха в отдельном компрессоре, а за счёт энергии собственных выхлопных газов. В результате работы основного агрегата, состоящего из дизеля и компрессора и названного в этой передаче механическим генератором газа, получается не механическая энергия на валу двигателя, а энергия, аккумулированная в выхлопных газах дизеля, имеющих давление и температуру более высокие, чем атмосферный воздух, поступающий в агрегат. Преимущество перед обычным дизелем заключается в том, что в газе может быть аккумулирована энергия, превышающая механическую энергию, снимаемую с вала обычного дизеля, так как в механическом генераторе газа к полезной энергии присоединяется также и теплосодержание выхлопных газов, которое в обычном двигателе является потерей. Энергия, заключённая в вырабатываемом газе, может быть использована непосредственно в расширительной машине тепловоза, тогда как непосредственное использование механической энергии, получаемой на валу, требует ещё промежуточной передачи. Передача снижает общий к. п. д. тепловоза и часто оказывается сложной, тяжёлой и дорогой. В силовой установке тепловоза поршневая расширительная машина отделена от механического генератора сжатого газа и кинематически не связана с ним. При работе генератора газа с максимальной производительностью он уподобляется котлу паровоза при максимальной форсировке.
В тепловозе системы Шелеста тепло выпускных газов используется в расширительной машине, а мощность двигателя тратится на сжатие воздуха, необходимого для зарядки цилиндра сгорания механического генератора сжатого газа. Сжатый воздух или газ при своём расширении производит в идеальном случае столько же работы, сколько потребовалось энергии для его сжатия. Практически при сжатии воздуха затрачивается больше энергии, а при расширении получается меньше работы, чем в идеальном случае. Следовательно, мощность цилиндра сгорания, сжимающего воздух, превращается в мощность на валу расширительной машины, но она будет уменьшена на величину коэффициентов полезного действия компрессора и расширительной машины. Так как кроме энергии цилиндра сгорания, перешедшей с помощью сжатого газа в расширительную машину, последняя использует тепло выпускных газов, экономичность всей установки с учётом всех потерь может быть выше современных дизелей и может быть ещё повышена путём увеличения коэффициента полезного действия отдельных агрегатов установки: компрессора, цилиндра сгорания и расширительной машины.
Проект тепловоза был закончен к лету 1915 г. с конструктивной разработкой главнейших деталей. Первый доклад вызвал горячее сочувствие среди русских передовых техников. Поднимался реально вопрос о постройке опытного локомотива. Незадолго до этого А. Н. Шелест обратился к Обществу Х. С. Леденцова за содействием в реализации своего изобретения. Крупные научные авторитеты, привлечённые Обществом для обсуждения тепловоза системы Шелеста, признали, что одна из труднейших задач железнодорожной техники – применение двигателей внутреннего сгорания к локомотиву – разрешена изящно, просто и в полном соответствии со специальными требованиями подвижного железнодорожного состава; изобретение открывает, в случае успеха, широкие перспективы русскому железнодорожному хозяйству. Экспертная комиссия Общества постановила удовлетворить просьбу А. Н. Шелеста об отпуске средств в полном размере.
Профессор В. И. Гриневецкий отмечал, что А. Н. Шелест посвятил почти год теоретическим исследованиям и тяговым расчётам тепловоза с двигателем Sulzer. В результате этих исследований, представляющих серьёзный научно-технический интерес и в литературе, в применении к тепловозам, отсутствующих, А. Н. Шелест пришёл к выводу о непригодности непосредственного соединения недостаточно мощного двигателя с ведущими колёсами тепловоза. Поставив себе целью добиться практического решения этой задачи, А. Н. Шелест пришел к новой идее – введения первичного двигателя – генератора энергии для двигателя вторичного, действующего как газовая машина и соединённого с ведущими колёсами. Будучи сам крупным учёным-теплотехником, Гриневецкий считал, что тепловоз А. Н. Шелеста из всех тепловозов с передачами наиболее просто решает задачу осуществления тепловоза, т. к. ближе всего подходит к паровозу как по эластичности тяговой характеристики, так и по всем приёмам управления им, что чрезвычайно важно в эксплуатационном отношении. Теоретическая разработка первичных двигателей должна быть подкреплена и проверена опытным изучением. При удачном разрешении задачи первичного двигателя остальные вопросы осуществления этого тепловоза сходят в плоскость паровозостроения и паровозной эксплуатации, что должно содействовать более быстрому и успешному разрешению задачи тепловоза этой системы. Тепловоз системы Шелеста по своим тяговым свойствам должен совершенно совпадать с паровозом, внося, зато, сравнительно с предыдущей конструкцией73 большее усложнение в двигатель, благодаря присутствию первичного и вторичного двигателей и лишаясь преимущества большого запаса мощности на высоких скоростях, свойственного тепловозам с непосредственным приводом. Осуществление этого тепловоза, после конструирования и опытной проверки двигателя в отдельности или на локомотиве, открывает широкие перспективы для введения тепловозов, ставя тепловозы системы Шелеста в качестве товарных вне конкуренции с другими тепловозами, но давая широкие перспективы и пассажирским локомотивам. Однако постройка тепловоза не состоялась по многим причинам. Одна из них – личная неудовлетворенность изобретателя решением задачи – не давала ему необходимой энергии для проталкивания этого тепловоза в жизнь. Генератор газа получился слишком сложный и потому дорогой. По своему же назначению он должен быть простой, дешёвый и надёжный в службе.
Однако годы упорной работы А. Н. Шелеста увенчались крупным успехом, в результате чего 1922 г. стал в развитии техники рубежом, с которого идея применения механического генератора газа в силовых установках получила признание. Приоритет в решении этой важной технической задачи принадлежит Советскому Союзу. 16 июня 1922 г. А. Н. Шелест получает швейцарский патент на изобретение газотурбинной установки для локомотива, получены патенты и в ряде других стран Европы и Америки. Советское правительство, несмотря на тяжёлые условия тех лет, находило время, чтобы решать вопросы, связанные с созданием в СССР новых, более экономичных и совершенных локомотивов и, в частности, тепловоза с механическим генератором газа. В январе 1922 г. Совет Труда и Обороны решил заказать три первых мощных тепловоза: один с электрической передачей, один с механической передачей и один по системе профессора Шелеста (обозначенный как Юш003), который был третьим тепловозом, намеченным к постройке. Совет Народных Комиссаров СССР 31 октября 1922 г. постановил построить по проекту А. Н. Шелеста за границей тепловоз с механическим генератором газа. Ввиду важности этой работы в 1923 г. Ф. Э. Дзержинский писал Г. М. Кржижановскому, что он уверен в возможности постройки тепловоза с механическим генератором газа в России. Дзержинский указывал, что этот вопрос должен стать заботой «всего Госплана, всего НКПС, всего ВСНХ и всей нашей партии изо дня в день». Новым постановлением от 30 апреля 1923 г. Совет Народных Комиссаров выделил на постройку тепловоза с механическим генератором газа специальные средства и возложил ответственность за выполнение постановления на А. Н. Шелеста. Проект тепловоза Шелеста представлял большой интерес, так как такой локомотив допускал в необходимых случаях возможность, как у паровозного котла, «займов» из газового резервуара и плавное изменение силы тяги. По мнению профессора Ю. В. Ломоносова, эта деталь с железнодорожной точки зрения представляется чрезвычайно важной, она приближает, в смысле эластичности тяговой характеристики, тепловозы Шелеста к паровозам, оставляя в этом отношении позади все остальные тепловозы. В то время, когда заказывался тепловоз Шелеста, за границей никто не верил в возможность создания подобного локомотива большой мощности. Не было уверенности в успехе и у наших специалистов, которые ссылались на неудачную попытку инженера-механика флота П. Д. Кузьминского, построившего в 1892 г. небольшую газопаровую реверсивную турбину радиального типа с десятью ступенями давления. Эта турбина работала неудовлетворительно, так как лопатки турбины быстро обгорали и выходили из строя, а подобрать жаростойкий материал в то время было нельзя. Известный немецкий теплотехник профессор В. Шюле, когда А. Н. Шелест обратился к нему за советом о возможности постройки тепловоза с турбинным генератором газа в Германии, порекомендовал изобретателю начать работы с постройки тепловоза с генератором газа поршневого типа: с этой задачей могла справиться техника того времени, тогда как построить тепловоз с газовой турбиной будет гораздо труднее. Однако в Германии разместить заказ не удалось ни на оном из заводов. Тепловоз системы А. Н. Шелеста с поршневым генератором газа был заказан в Англии компании W G Armstrong Whitworth & Co Ltd в Ньюкасле на Тайне 11 октября 1923 г.
В мае 1927 г. были прерваны дипломатические отношения между СССР и Англией, и А. Н. Шелест возвращается в Союз. Работы по постройке тепловозов прекратились.
Проект тепловоза Мазинга.В 1923 г. профессор Московского Высшего Технического Училища Е. К. Мазинг, учёный в области двигателей внутреннего сгорания, развивший теорию теплового расчёта двигателей и исследовавший вопросы генерирования газа и его использования в двигателях, представил в Госплан проект тепловоза с пневматической передачей. Транспортная секция Госплана признала практическое значение постройки такого тепловоза и предложила НКПС и ВСНХ принять на себя разработку проекта Мазинга силами технического бюро ГОМЗ.
При создании тепловоза с пневматической передачей наиболее трудно было осуществить подогрев сжатого воздуха. Наиболее простым, но и наименее надёжным решением этой задачи является применение поверхностного подогревателя. Все авторы схем пневматических передач искали пути освободиться от такого типа подогревателя. А. Н. Шелест первый предложил применить для этой цели принцип смешения.
По идее Е. К. Мазинга в паровозных цилиндрах должен был работать сжатый дизель-компрессором воздух, подогреваемый путём смешения с продуктами горения. Однако при таком решении проблемы трудность состояла в сохранении постоянного или близкого к постоянному состава рабочей смеси. Автоматическая регулировка дизеля, предназначенная для сохранения такого постоянства, и составляла основную часть патента Мазинга.
Суть предложения Е. К. Мазинга заключалась в том, что на раме локомотива устанавливаются дизель и компрессор. Продукты горения дизеля смешиваются со сжатым воздухом, и смесь поступает в особый резервуар, из которого переходит в обыкновенные паровозные цилиндры. Тепловоз этот должен быть по мощности эквивалентен паровозу серии Э. Двухтактный трёхцилиндровый двигатель последовательного расширения вращает расположенные на одном с ним продольном валу три одноступенчатых компрессора. Два компрессорных цилиндра служат для продувки рабочих цилиндров двигателя, а третий цилиндр подаёт сжатый воздух для работы. Во всех трёх компрессорных цилиндрах воздух сжимается до 7 ат. Из одного цилиндра воздух поступает в расходный резервуар, а из двух других – в цилиндры сгорания для их продувки и далее вместе с продуктами горения в ресивер. Из ресивера часть смеси подаётся в расширительный цилиндр, где она расширяется, а другая часть её поступает в расходный резервуар, из которого, смешиваясь с поступившим туда воздухом из компрессорного цилиндра, через регуляторный вентиль направляется в цилиндры расширительной машины паровозного типа. Давление в расходном резервуаре при помощи специального регулятора поддерживается постоянным и равным 7 ат. Диаметр четырёх цилиндров расширительной машины 625 мм, ход поршня 700 мм, индикаторная мощность 900 л.с. Диаметр движущих колёс 1450 мм. Кулисный механизм Гейзингера. Температура рабочей смеси в момент поступления её в цилиндры расширительной машины 430°С. Расход рабочей смеси, подаваемой в цилиндры расширительной машины 120 м3/мин. Коэффициент полезного действия всего тепловоза 20%. Главным достоинством схемы Мазинга являлось весьма полное использование тепла продуктов горения. Слабым местом схемы было, во-первых, наличие громадного расширительного цилиндра и, во-вторых, значительный перепад давления (около 15 ат) при переходе продуктов горения из цилиндров сгорания в расширительный цилиндр. Правда, благодаря такому перепаду Е. К. Мазингу удалось сделать цилиндры своего двигателя бесклапанными – на крышках цилиндров сгорания у него имеются только форсунки. Основным же недостатком схемы Мазинга была чрезмерно высокая температура газов, поступающих в цилиндры расширительной машины (430°С). При такой температуре могли возникнуть затруднения со смазкой цилиндров. Так же, как и большинство подобных проектов, предложение Е. К. Мазинга осуществлено не было
Продолжение следует…
Поддержите канал -поставьте лайк.