Турбовозы. История, теория, конструкция

Турбовоз Маффея. Заводом Maffei в Германии в 1924 г.[10 - По другим данным он построен в 1928 г.] построен ещё один турбовоз Т18 мощностью 2000 л.с. напоминающий конструкцию Цёлли. Коэффициент полезного действия на пальце отбойного вала—15,6%, т. е. вдвое выше, чем у нормального паровоза.

Построенный паротурбовоз предназначен для быстрых и тяжёлых поездов. Он развивал скорость до 100 км/ч.

Высокоскоростная турбина помещена впереди.

Самой оригинальной частью паротурбовоза являлся холодильник для воды. Он сделан из двух трубчатых радиаторов, расположенных сбоку на тендере, по которым протекала вода для охлаждения. Часть воды постоянно притекала на наружную трубчатую поверхность в то время, как два вентилятора образуя сильную струю воздуха, вызывали сильное испарение этой воды. При этих условиях теплота уносилась водой в состоянии пара, и расход воды в этом паротурбовозе не отличался от обыкновенного вида машины, работающей без охлаждения пара.

При конструировании ранее построенных турболокомотивов имелось в виду единственно повышение экономичности использования топлива. Новый турболокомотив высокого давления при малых расходах угля давал ещё ряд преимуществ, которые косвенным образом могли содействовать повышению экономичности.

Благодаря практически полному сжиганию топлива в виде угольной пыли, с одной стороны, и благодаря конденсационному устройству с обратным поверхностным холодильником, с другой, можно было совершенно не беспокоиться о дыме, копоти и паре[11 - При оросительных холодильниках типа Крупп, Маффей (1924) воздух, прогоняемый через дождь охлаждающей воды, увлекает часть воды механически, т. е. в виде капель и брызг, в силу чего это устройство для пассажирских поездов в Европе чрезвычайно нежелательно. Примечание А. А. Чиркова.]. Чистота обслуживания, являющаяся существенным достоинством электровозов, в дальнейшем могла быть достигнута и в паровых локомотивах.

Турбинный локомотив Maffei T18—1002 с конденсацией пара. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Кроме того, благодаря свойственной котлу Бензона эластичности, приспособляемости к режиму и быстрой готовности к работе, достигаемых лёгким управлением, отоплением угольной пылью, новый локомотив приближался по своим качествам к электровозу, против которого машина с собственной силовой установкой обладает тем большим преимуществом, что не зависит от всех случайностей и возможностей повреждений, которые могут иметь место при передаче энергии на расстояние[12 - Не только опасность повреждения передаточных линий является преимуществом локомотивов с собственной силовой установкой. Если сравнивать турболокомотив с электровозом при паровой электроцентрали, то теплотехнически более выгодным будет первый, так как отсутствуют потери на передачу и трансформацию энергии. В случае же гидроэлектроцентрали естественно теплотехническая выгодность на сторонеэлектровозов. Примечание А. А. Чиркова.].

Благодаря ничтожно малым расходам воды турболокомотив высокого давления имеет особое значение для стран, бедных водой. Южная Африка для обслуживания своих пустынных дорог имеет поршневые локомотивы с большими запасами воды, являющимися следовательно мёртвым весом. СССР для обслуживания своих безводных степей был вынужден развивать тепловозостроение. Новый турболокомотив с отоплением углём, угольной пылью или нефтью для этих стран мог иметь серьёзное значение. Если он и не достиг термического коэффициента полезного действия дизель-локомотива, зато превзошёл его своей малой построечной стоимостью и возможностью увеличения мощности.

Турбовоз T18—1002 с размерами. Вид сбоку.

Разрез турбовоза T18—1002 по котлу с размерами (в старом ГОСТе). Вид сбоку.

Локомотив Т18—1002 был доставлен в DRG[13 - Deutsche Reichsbahn-Gesellschaft – Общество Германских Имперских железных дорог.] в марте 1929 г. К 1934 г. локомотив прошел 60000 км. Давление пара было 22,7 ат. Несмотря на более высокое давление в котле, он был менее экономичным, чем локомотив Т18—1001 Круппа.

Турбовоз Маффея был отставлен от работы, когда получил повреждения в результате бомбардировки в 1943 г. Его котёл использовался для испытания предохранительного клапана, пока не был утилизирован в 1961 г.

Паровоз завода Henschel с турбинным бустером на тендере. Использование мятого пара поршневых машин для турбин низкого давления до некоторых пор считалось сложным и практически трудноосуществимым, но позднее французская фирма Rateau применила этот метод для модернизации устаревших паромашинных установок[14 - Ещё в 1902 г. Рато сделал первые практические применения железо-водяных паровых аккумуляторов в связи с турбинами низкого давления на копях de Bruay, причём установка имела целью использовать выхлопной пар подъёмной машины, работавшей с перерывами, для компенсации которых и потребовались пароаккумуляторы, где колебания давления выхлопного пара получались с 0,9 до 1,15 ат. С той поры такие комбинированные установки получили широкое распространение для утилизации выхлопного пара паровых молотов, прокатных станов, подъёмных рудничных машин и т. д. Одними из ранних комбинаций поршневых машин и паровых турбин низкого давления являются установки на пароходах «Rochambeau» и «L’Olimpic», относящиеся к началу XX в.].

Турбина мятого пара, установленная на тендере паровоза Henschel.

Вместе с тем завод Henschel в Касселе (Германия) в сотрудничестве с Цёлли применил этот принцип для модернизации паровозов, взяв для опыта прусский паровоз Р

(Т38). Паровоз снабжён вентилятором Бетца, благодаря которому высасывались газы из дымовой коробки. Вентилятор укреплён на дымовой дверке и приводился в движение непосредственно от маленькой паровой турбины. Мятый же пар двумя боковыми паропроводами на уровне боковых площадок паровоза при помощи гибких труб отводили в тендер, предварительно пропуская через маслоотделители. Далее он поступал в турбину низкого давления, которая приводила в движение ведущие оси тендера.

Локомотив был построен в 1927 г. Сам паровоз был немного модифицирован с добавлением вентиляторной тяги. Поскольку окончательный выхлоп находился под незначительным давлением, исходную дымовую трубу дымовой камеры пришлось заменить на электрический вытяжной вентилятор в дымовой камере. Замена шарового конуса вытяжным приспособлением и установка маслоотделителей – единственное заметное изменение, которым подвергся существующий паровоз. Большая часть нововведения заключалась в тендере. Превращённый в движущий экипаж, он был оснащён сдвоенными ведущими колёсами по схеме 1—2—2 и нёс на себе, кроме запаса угля и воды, турбину низкого давления переднего и заднего хода с передачей к ведущим осям, конденсатор и всю установку для производства вакуума.

Турбина низкого давления сконструирована с тремя ступенями для переднего хода и с одной ступенью для заднего. Давление от 1,1 до 1,4 ат в паропроводах, соединяющих паровую машину с турбиной,поддерживается при всех нагрузках при помощи регулятора давления.

Регулятор давления паровоза Henschel.

КМ – поступление пара от поршневой машины; VT – проход для пара по трём каналам I, II и III в турбину низкого давления переднего хода; RT – проход для пара к турбине низкого давления заднего хода; V – положение при ходе вперед и R – положение при ходе назад. Когда давление в соединительной трубе слегка увеличивается, цилиндрический золотник открывает последовательно три группы упомянутых каналов I, II и III при помощи масляного сервомотора. Турбина низкого давления переднего хода отделена от турбины заднего хода при помощи двухседельного клапана, не пропускающего пар. При перемене хода с переднего на задний одновременно с перекидкой парораспределения поршневой машины производится перестановка клапана изменения хода турбины низкого давления из положения V в положение R. Вследствие этого цилиндрический золотник закрывает три группы каналов, ведущих в турбину низкого давления переднего хода, и двухседельный клапан начинает отжиматься от своих сёдел концом штока цилиндрического золотника, причём противодействующая этому пружина сжимается, и таким образом канал, ведущий к турбине заднего ходя, оказывается открытым. Предохранительные клапаны, размещённые на маслоотделителях, не дают возможности во всех случаях давлению в соединительной трубе сделаться чрезмерно большим, каковое может, например, иметь место в случае полной выкладки при спущенном рычаге у паровой машины.

Турбина низкого давления, как для переднего, так и для заднего хода, приводилась в движение выхлопным паром среднего давления из исходных цилиндров. Конденсатор в тендере создавал разрежение для выхлопных газов турбины, повышая тепловой к.п.д.

Турбина низкого давления,использующая мятый пар, работала при разрежении 80—85%, что предусматривало наличие конденсатора. В конструкции конденсатора Геншель отошёл от общепринятой формы и создал оригинальную модель, в которой совмещены функции поверхностного холодильника и охладителя воды открытого типа с применением искусственной вентиляции. Этот холодильник надо отнести к холодильникам испарительного типа. Пар из турбины низкого давления протекает по четырём группам труб, размещённых параллельно и находящихся в воздушном потоке. Три пропеллера Бетца, расположенные в крыше тендера, всасывают охлаждающий воздух через конденсатор. Образующийся конденсат и воздух удаляются воздушным насосом, размещённым внизу, а циркуляционный насос создаёт циркуляцию охлаждающей воды и подаёт её из нижней части тендерного бака под холодильником в распределительные трубки над каждой группой труб, в которых течёт пар из турбины низкого давления.

Конденсатор паровоза Henschel.

Турбопоршневой паровоз Т38—3255 с конденсацией пара. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

T38 был, по сути, обычным паровозом с поршневым приводом, на котором использовалась вспомогательная турбина низкого давления, установленная на тендере. Турбина, в свою очередь, выпускала пар в конденсатор в задней части тендера, что давало возможность турбине работать эффективнее. Система разработана доктором Цёлли из DRB совместно с производителем Henschel.

Немецкий Henschel T38—2555. Серия производилась в 1927—1938 гг.

Фото с сайта www.yaplakal.com.

Локомотив Т38 с размерами. Вид сбоку. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Большой выхлопной канал от турбины к конденсатору необходим для надлежащей эффективности турбины.

Паровоз Т38 без конического носа, который удерживал вытяжной

вентилятор. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Задняя часть турбинного тендера Т38. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Два спаренных движущих колеса, соединённых с валом, видны под передней частью тендера.

Передняя часть турбинного тендера Т38 с размерами. Верхний левый рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

В передней части тендера помещались турбина и бункер для угля; в задней части устанавливался конденсатор. Труба внизу справа служит для выхлопа паровой машины локомотива в турбину; большой круглый воздуховод слева – выхлоп турбины в конденсатор.

Поперечное сечение передней части турбинного тендера Т38. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Большой круглый воздуховод в центре представляет собой выхлоп турбины в конденсатор, установленный в задней части тендера.

Система вентиляторной тяги паровоза T38. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

При атаке на лопатки вентилятора Бетца отработавшие газы поворачиваются на 180° изогнутым входным диффузором, а затем направляются под прямым углом вверх в дымоход. Заглушка большого размера, расположенная сразу за вентилятором, является выходным диффузором для повышения эффективности вентилятора. Большое U-образное углубление над вентилятором содержало, вероятно, нагревательный бак питательной воды.

Как и в обыкновенном поверхностном холодильнике, теплота пара передаётся охлаждающей воде, которая, нагревшись, проходит через охладитель. Вода при своём падении создаёт большую поверхность для поднимающегося вверх тока воздуха к таким образом передаёт последнему свою теплоту. Теплота передаётся как непосредственным нагреванием, так и испарением части воды. Опыты, произведённые с этой конструкцией, показали, что необходимая поверхность охлаждения оказалась не больше той, какая потребовалась бы при поверхностном конденсаторе обычного типа с циркуляцией воды.

Турбина низкого давления с её аттрибутами расположена под угольным ящиком тендера. Вспомогательная турбина, питаемая острым паром и расположенная выше выхлоной трубы турбины низкого давления, служила для приведения в движение питательного насоса, трёх вентиляторов и группы насосов, расположенных внизу и состоящих из конденсатного насоса и циркуляционного.