Турбовозы. История, теория, конструкция

Турбозубчатый агрегат.

Паровая турбина, соединённая с зубчатым редуктором, используется в качестве главного двигателя, а также как привод насосов и других механизмов большой мощности. Турбины, как правило, выполняются по многоступенчатой схеме. В таком случае различают турбину высокого давления и турбину низкого давления. В общем случае турбозубчатый агрегат работает следующим образом: пар поступает на управляющие клапаны 7 и 8, которые регулируют мощность турбины высокого 1 и низкого 2 давления. Так как частота вращения турбин очень велика, они соединены с ведущими колёсами через редуктор 4, который понижает частоту вращения и одновременно увеличивает вращающий момент на валу 6; 3 – кожух турбины; 5 – опора вала.

Реверс-редуктор предназначен для передачи мощности от вала тяговой турбины к ведущим осям и для изменения направления движения локомотива при неизменном направлении вращения турбины. Условия работы редуктора с турбинным приводом на локомотиве отличаются от условий работы на других транспортных установках большой мощности. Специфично сочетание максимальных нагрузок при трогании и во время разгона состава с работой со значительными окружными скоростями (до 100 м/с) в зацеплении зубчатых колёс при больших скоростях движения.

В процессе выбора схемы реверс-редуктора необходимо обеспечить работоспособность зубчатой передачи и подшипников, надёжность и простоту реверса, технологичность, минимальные габаритные размеры, минимальную массу и др. Из многообразия возможных схем силовой передачи реверс-редуктора можно выделить два принципиальных направления: схемы, в которых каждое зубчатое колесо передает полную мощность (однопоточные), и схемы с симметричным разделением потока мощности в первой, имеющей наибольшую частоту вращения, ступени (двухпоточные). Достоинством однопоточных схем является их сравнительная простота, малые габаритные размеры и высокий к.п.д. Однако в них трудно решается вопрос обеспечения нормальных условий работы подшипников ведущего вала редуктора, в которых при трогании может иметь место сухое или полужидкостное трение, что недопустимо.

Двухпоточные схемы, при которых редуктор выполняют двухступенчатым, несколько сложнее, имеют большее количество зацеплений, большие габаритные размеры и массу. Однако они обеспечивают почти полную разгрузку подшипников ведущего вала и некоторое снижение окружных скоростей в зацеплении за счёт уменьшения размеров ведущей шестерни. Для турбовозов разработано несколько вариантов реверс-редуктора по различным схемам.

По одному из вариантов реверс-редуктор выполнен по простейшей однопоточной схеме с реверсом, расположенным на выходном валу. Корпус редуктора – составной, из трёх частей, с двумя вертикальными разъёмами. В нижней части к корпусу прикреплён поддон, являющийся масляным резервуаром систем смазки редуктора, турбины и вспомогательных агрегатов.

Главная передача реверс-редуктора состоит из шести шевронных зубчатых колёс, оси которых совпадают с плоскостями разъёма корпуса. Ведущий вал и валы реверса опираются на подшипники скольжения, промежуточный вал – на подшипники качения. Посредством торсионного вала ведущий вал связан с тяговой турбиной. С другой стороны к нему при помощи обгонной муфты подсоединено валоповоротное устройство, служащее для проворачивания ротора тяговой турбины после её останова. Для останова тяговой турбины в процессе реверсирования предусмотрено тормозное устройство, соединённое с промежуточным валом редуктора.

Муфта реверса имеет три фиксированных положения: «Ход вперёд», «Нейтраль» и «Ход назад». Работа механизма реверса осуществляется следующим образом. При пуске турбины и на стоянках локомотива муфта реверса всегда находится в положении «Нейтраль», разобщая двигатель и колёса локомотива. Турбина и соединённые с ней постоянно зубчатые колёса главной передачи редуктора могут свободно вращаться, обеспечивая тем самым равномерный прогрев ротора турбины.

Перед началом движения локомотива рукоятку реверса на пульте машиниста устанавливают в положение «Вперёд» или «Назад». При этом кратковременно снижают до минимума крутящий момент на валу тяговой турбины и впускают воздух в пневмокамеры тормозного устройства, в результате чего турбина останавливается. После полной остановки турбины тормозное устройство отключают и через специальное блокировочное устройство подают сжатый воздух в цилиндр реверса, от которого через рычажную передачу муфта реверса перемещается в рабочее положение.

Возможность проворота ротора турбины создает условия, способствующие безусловному включению муфты. Во включённом положении муфта реверса автоматически фиксируется стопорным устройством. Рукоятку реверсора в положение «Нейтраль» переводят при полностью остановленном локомотиве в той же последовательности, что была описана выше.

В тележечных локомотивах выходной вал реверс-редуктора с тележками локомотива соединяет валопровод, который благодаря центральному расположению редуктора в кузове выполнен симметричным, что предпочтительнее с точки зрения уменьшения автоколебаний, возникающих в трансмиссии при боксовании. При выборе типа валопровода необходимо учитывать наличие значительного переменного прогиба рамы локомотива по мере расходования топлива из бака. Разработано несколько вариантов валопровода. В одном из них валопровод представляет собой два полых вала, установленных на подшипниках качения в опорах, закреплённых на раме. Со стороны карданных валов опоры имеют подшипники, служащие для восприятия осевых сил. Соединение валов с выходным валом реверс-редуктора осуществлено зубчатыми муфтами.

Силовая передача тележек принята аналогичной установленной на тележечных локомотивах. Возможность её применения обусловлена тем, что при выборе передачи определяющим с точки зрения прочности является крутящий момент при трогании локомотива с места.

Тендер. Тендер большинства конструкций паротурбовозов с конденсацией пара схож с тендер-конденсатором конденсационных паровозов. Однако, существуют паровозы, в которых пар, отработав в машине, утилизируется в турбине низкого давления.

Турботендер Южно-Американских железных дорог. Чертёж из «Альбома схем паровозов и паспортов».

Турбина может находиться на самом локомотиве, а может размещаться на тендере в качестве бустерного двигателя, служащего для привода движущих осей тендера.

Помимо паровой турбины низкого давления на таком тендере обычно размещается оборудование для конденсации пара.

Тендер получается сложным, требует специального обслуживания, однако при этом локомотив получает дополнительную мощность для тяги.

В качестве примера на приводимой иллюстрации показан турбинный тендер Южно-Американских железных дорог.

2.3. Европейские паротурбовозы

Четырёхтурбинный локомотив Беллуццо. 1907 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

В задней части котла находится огромный паровой купол. Было ли это необходимо из-за установки турбины, неизвестно; ни у одного другого турбовоза не было ничего подобного. Поскольку кожухи турбины смещены относительно осей, явно присутствовал редуктор. Это важно, поскольку турбины вращаются намного быстрее, чем колёса локомотива. Фактически использовался одноступенчатый редуктор с передаточным отношением 8:1 снаружи колёс. Все последующие турбинные локомотивы использовали две или три ступени редуктора.

Первый турбинный локомотив Белуццо. Первым турбовозом был небольшой экспериментальный локомотив 0—1—1—0, разработанный профессором Джузеппе Беллуццо в Италии в 1907—1908 гг. Акционерным обществом механических мастерских в Милане был переоборудован старый маневровый паровоз 0—3—0, построенный в 1876 г.: снята одна ось и установлено четыре турбины, по две с каждой стороны. Пар проходил через все четыре турбины по очереди, а после выбрасывался в трубу. Сначала пар направлялся к передней правой турбине, а затем к правой задней турбине через гибкую трубу, видимую на рисунке. Отработавший пар направлялся к задней левой турбине, затем вперед к передней левой турбине и, наконец, выходил в дымоход через обычную выхлопную трубу. Говорят, что турбины приводили четыре колеса в движение независимо, поэтому предположительно колёса не были прикреплены к осям обычным способом. Поверхность испарения 30 м

и давление в котле 9,5—10 ат были сохранены.

Вид сбоку турбовоза Беллуццо 1907 г. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Этот чертёж подтверждает, что была только одна ступень зацепления, снаружи колёс. Максимальная частота вращения турбины составляла 2400 об/мин, что кажется довольно низкой, вероятно, вследствие низкого передаточного отношения. Т обозначает фактические корпуса турбин.

Разрез по турбине турбовоза Беллуццо. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Вращающиеся лопатки показаны розовым цветом, неподвижные лопатки – голубым. При работе в прямом направлении пар подавался по воздуховоду a и выпускался через b. Обратный режим был получен путём подачи пара назад через турбину, подаваемую по воздуховоду с и выходящую через d. Турбины обычно считаются однонаправленными, и не приходит на память никакая другая попытка использовать этот метод для реверса. Лопатки имели участок изменённого профиля на конце наконечника, который использовался для реверса.

Этот уникальный локомотив прослужил тринадцать лет и был разоборудован в 1921 г. Испытания, безусловно, были проведены, но неизвестно, находился ли он в регулярной эксплуатации. Возможно, малое передаточное отношение и, как следствие, низкая эффективность стали причиной неудачи проекта, который был реализован за десять лет до появления следующего итальянского турбинного локомотива. В настоящее время не известно никаких подробностей о работе самого первого турбовоза. Его масса 26 т; длина 7,1 м.

Турбовоз Белуццо-Бреда. В 1931 г. Беллуццо консультировал проектирование турбинного локомотива 1—4—1 постройки компании Ernesto Breda. У него были турбины высокого и низкого давления. Длина локомотива 14,35 м. Никакая другая информация не сохранилась, даже давление в котле. Предполагается, что он был испытан на заводе Breda в Милане, но, по-видимому, Итальянская государственная железная дорога не могла позволить запустить его на главной линии; означает ли это, что у него была очевидная неисправность, которая могла бы задержать движение, и когда случилась поломка, неизвестно.

Турбинный локомотив Беллуццо-Бреда. 1931 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Турбинная установка с редуктором и отбойный вал находятся посредине движущих колёс. То, что выглядит как садовый сарай спереди, является кулером для конденсаторной воды; отверстия в боковой части, предположительно, выходы воздуха. На следующих рисунках показано, что в этих боковых отверстиях установлены вытяжные вентиляторы, хотя на этом изображении они не видны.

Конденсатор был установлен под передней частью котла, а циркулирующая вода охлаждалась в холодильнике, установленном в передней части локомотива. Котёл был обычным, с обычными трубками перегревателя, и тяга создавалась тройной выхлопной трубой. Вентиляторная тяга, используемая во многих других турболокомотивах, была явно исключена, поскольку всегда имелись проблемы, когда лопатки разрушались золой и шлаком, содержащимися в выхлопных газах. В связи с этим возникает вопрос о назначении конденсатора, так как если бы он был предназначен для экономии воды, выпуск пара в выхлопную трубу не был бы полезен. (Возможно, там был клапан, который перекрывал выхлопные трубы, когда выпуск был не нужен). Другим конструктивным решением было оставить конденсатор на локомотиве, а не ставить его в тендер, так как это позволило избежать гибких трубопроводов большого диаметра между локомотивом и тендером для выпуска пара из турбины. На швейцарском турбовозе Цёлли принят похожий подход, но сохранён охладитель воды на тендере. Одной из необычных особенностей этой машины Беллуццо-Бреда было то, что у неё было две трубы; одна над охладителем (слева на рисунке выше) и ещё одна позади неё над двумя передними осями. Фактически, передняя труба была ещё одним выходом воздуха для охладителя воды и была оснащена вентилятором, приводимым в действие небольшой вспомогательной турбиной. Эта турбина также приводила в движение циркуляционный насос конденсатора.

Передняя часть турбовоза Беллуццо-Бреда. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

A – охлаждённая вода. Похоже, что B является вспомогательной турбиной. C и C' – трубы для охлаждающей воды конденсатора. Устройство, обозначенное буквой F над конденсатором, похоже на нагреватель питательной воды, использующий выхлоп вспомогательной турбины. G – отверстие, которое даёт доступ к дымовой коробке.

Вертикальный разрез котла, дымовой коробки и турбинного редуктора турболокомотива Беллуццо-Бреда. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Пружины составляют две ступени гибкого привода в зацеплении. F – предполагаемый нагреватель питательной воды.

Горизонтальный разрез турбинного локомотива Беллуццо-Бреда. 

С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives». Верхняя половина чертежа представляет собой разрез на уровне промежуточных валов

редуктора, в точке А в вертикальном разрезе, на предыдущем чертеже. Нижняя часть представляет собой сечение на уровне промежуточного вала, на B.

Слева находится турбина высокого давления с восемью клапанами управления форсунками, видимыми в верхней части корпуса.

Четыре вертикальных разреза турбинного локомотива Беллуццо-Бреда. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives». Левая часть левого чертежа – через центр отбойного вала. Правая часть левого чертежа – через середину выхлопной трубы. Левая часть правого чертежа – через центр вала вентилятора. Правая часть правого чертежа – впереди

конденсатора. 

Вертикальный вал A приводит в движение устройство, похожее на центробежный насос B, предположительно, используемый для циркуляции охлаждающей воды конденсатора. С – передняя часть конденсатора. Ещё один вертикальный вал D приводит в движение горизонтальный коленчатый вал в продольном направлении поршневого насоса E, который предположительно является насосом подачи котла. Он способен подавать горячую воду, а инжектор – нет. Н является вспомогательной турбиной, вращающей поперечный вал вентилятора через понижающую зубчатую передачу G.

Вид спереди турбинного локомотива Беллуццо-Бреда. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Хорошо видны вертикальные трубки охладителя воды и очень широкая выхлопная труба. Тормозной насос находится слева.

Джузеппе Беллуццо. 1928 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Джузеппе Беллуццо родился в Вероне в 1876 г. Он преподавал в Милане, а затем в Риме и был автором более пятидесяти технических книг. Его годы преподавания и написания книг, вероятно, вдохновили многих молодых итальянских инженеров и студентов с двойным гражданством Италии. Он принимал участие в установке турбин на итальянских крейсерах и линейных кораблях. Во времена фашизма Беллуццо был избран в парламент и был министром национальной экономики с 1925 по 1928 г. Он утверждал, что заставил поезда работать вовремя… Умер в Риме 21 мая 1952 г.

Турболокомотив государственных железных дорог Италии №685.410. В 1933 г. механические мастерские Миани-Сильвестри-Гродона-Коми во Флоренции переделали для Итальянских государственных железных дорог паровоз серии 685 типа 1—3—1 в турбовоз. Он был построен для обслуживания экспрессов, с турбиной, установленной спереди. Конденсатор не был установлен. Локомотив был испытан на участке между Флоренцией и Пистойей, но, похоже, больше никогда о нём не слышали, что указывает на то, что этот проект тоже был неудачным. Проектная максимальная скорость составляла 130 км/ч, но какая она была в действительности – неизвестно.

Турболокомотив государственных железных дорог Италии №685.410. 1933 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Это единственная известная фотография.