ТЕПЛОВОЗЫ. Вехи непройденного пути. Издание второе, переработанное и дополненное

Коэффициент полезного действия электрической передачи тепловоза 2ТЭ10.

Коэффициент полезного действия электрической передачи тепловоза 2ТЭ116.

Относительные потери мощности дизеля в электропередаче и 

вспомогательном оборудовании тепловоза 2ТЭ10Л.

Относительные потери мощности дизеля в электропередаче и

вспомогательном оборудовании тепловоза 2ТЭ10В.

Гидравлическая передача имеет меньший вес, не требует расхода цветных металлов, однако она обладает более низким коэффициентом полезного действия. Соответственно, здесь в ещё более выраженном виде будут проявляться те потери, которые наблюдаются у тепловозов с электрической передачей. В нашей стране тепловозы с гидропередачей не получили сколько-нибудь заметного распространения. Исключением, пожалуй, являются железные дороги Сахалина, где в силу габаритных ограничений тепловозов более узкой колеи затруднено размещение электродвигателей требуемой мощности. Также тепловозы с гидропередачей нашли применение на промышленном транспорте. Наибольшее распространение тепловозы с гидропередачей получили в Германии, но и там в последнее время наблюдается тенденция перехода на локомотивы с асинхронным электроприводом.

Наименьшие потери имеем в механической передаче (коробка скоростей с редукторно-карданным приводом), но здесь отсутствует возможность непрерывно изменять силу тяги во всём диапазоне её регулирования. Переключения ступеней сопровождаются провалами силы тяги и большими динамическими нагрузками в передаче, поэтому механическая передача неприменима для тепловозов большой мощности. Аналогично, ограниченная только малыми мощностями, передача сцеплением с использованием фрикционной муфты также не подходит для средних и больших мощностей.

Из вышесказанного следует, что проблему тепловоза нельзя считать окончательно решённой применением передач. Правда, многократные попытки решить проблему иным путём до сих пор не привели к успеху, но каждая из этих попыток, обнажая новые и новые противоречия, ближе и ближе ведёт к цели. Появившись в своё время как вынужденная мера, которая была необходима для скорейшего освоения дизельной тяги, тепловозные передачи сыграли и продолжают играть немаловажную роль в развитии тепловозостроения. Но задача создания более простого и дешёвого тепловоза никуда не делась и ждёт своего решения.

Двигатели, предназначенные для локомотивной службы, должны иметь рабочую характеристику, близкую к характеристике паровозной машины, которая для автономного локомотива является наиболее подходящей. Необходимо, чтобы тяговый двигатель внутреннего сгорания мог в широких пределах изменять среднее индикаторное давление, плавно изменять частоту вращения, имея возможность воспламенять топливо при весьма низкой скорости. Он должен быть простым, надёжным в эксплуатации и дешёвым.

Наличие такого двигателя дало бы возможность построить тепловоз, у которого поршень был бы связан шатуном с ведущими колёсами непосредственно или же через отбойный вал. Несомненно, что тепловоз с таким двигателем наиболее целесообразно и просто разрешит проблему применения его как тяговой единицы на железнодорожном транспорте. Трудности создания такого двигателя состоят не только в видоизменении существующих конструкций двигателей, но, главным образом, в изменении их рабочих процессов.

Опыт показал, что создать тепловоз, имеющий прямую связь дизеля с колёсами, несмотря на всю заманчивость этой идеи, – задача чрезвычайно трудная, и поэтому такие тепловозы до сих пор не нашли практического применения. Но если бы тепловозы с непосредственным приводом, имеющие требуемые тяговые свойства, были созданы, то значение их трудно было бы переоценить. Победа в этой области тепловозостроения имела бы большое значение. Думается, что сегодня, опираясь на современные технологии, можно было бы избежать ошибок создателей первых тепловозов с непосредственным приводом и по-новому решить проблему создания такого тепловоза.

Глава I

ПРЕДШЕСТВЕННИКИ ТЕПЛОВОЗОВ

1.1. Локомотивы на сжатом воздухе

Сжатый воздух используется с XIX века для привода локомотивов, работающих на предприятиях горной промышленности. Помимо этого, в некоторых городах сжатый воздух использовался для привода трамваев, питавшихся от центральной общегородской пневматической распределительной сети. Первые пневматические локомотивы появились всего лишь на 15 – 20 лет позже стефенсоновского паровоза как альтернатива паровой тяге.

Пневмоустановки получили широкое применение там, где дым, искры и пар из куда более эффективной паровой машины были неприемлемы (на городских улицах и внутри угольных шахт) в то время, когда электричество ещё не было распространено в качестве источника энергии для двигателей. По мере развития электроэнергетики локомотивы с двигателями, работающими на сжатом воздухе, были постепенно заменены электрической тягой.

Локомотивы, работающие на сжатом воздухе, приводятся в движение пневмодвигателями. Такой привод называется пневматическим. Эти локомотивы появились намного раньше, чем были выполнены проекты первых тепловозов. Пневмодвигатели имеют один или несколько цилиндров, в которых перемещаются поршни. Пневмодвигатели принципиально по конструкции очень похожи на паровые машины или гидродвигатели. Воздух перед впуском в двигатель целесообразно нагревать для повышения отдачи энергии. Особенно это актуально с учётом того, что расширяющийся в пневмодвигателе воздух охлаждается. У пневмолокомотивов отсутствует собственный генератор энергии, они используют готовую энергию в виде сжатого воздуха, приготавливаемого на зарядных станциях. Вместо сжигания смеси топлива с воздухом в двигателе и последующей передачи энергии поршням от горячих расширяющихся газов, в пневматических локомотивах передача энергии поршням осуществляется от сжатого воздуха, запасённого в баллонах. Баллоны для хранения сжатого воздуха разрабатываются в соответствии с требованиями безопасности для сосудов, работающих под давлением. Принципиальным недостатком является непрямое использование энергии. Сначала энергия используется для сжатия воздуха, а потом от сжатого воздуха передаётся двигателю. Каждое преобразование энергии осуществляется с потерями, что обуславливает более низкий коэффициент полезного действия пневмолокомотивов чем, например, дизельных или, тем более, электротранспорта.

Принцип действия пневматических локомотивов впоследствии был положен в основу компрессорной передачи тепловозов. Поэтому пневмолокомотивы можно с полным правом считать предшественниками компрессорных тепловозов и тепловозов с непосредственным приводом, разгоняющихся сжатым воздухом.

При использовании на локомотивах сжатого воздуха в качестве рабочего тела возникает ряд проблем. Сжатый воздух имеет низкую энергетическую плотность. С учётом возможности нагрева воздуха его энергетическая плотность при давлении 300 ат[7 - Как известно, давление бывает абсолютным и избыточным. Разница между ними 1 атмосфера. Здесь и далее, в тех случаях, когда автору неизвестно, о каком из этих давлений идёт речь, размерность соответствующей величины обозначается просто «ат» (техническая атмосфера, 1 ат ? 0,1 МПа). В противном случае указывается «ата» или «ати», соответственно.] не превышает 30 кВтч/м

, что сопоставимо с ёмкостью электрохимических свинцовых аккумуляторных батарей. Однако по мере разряжения батарей напряжение на их выходах падает относительно слабо. В то же время, давление на выходе из баллонов будет падать по мере расходования воздуха, если не принять специальных конструктивных мер, например, использовать резервуар с переменным рабочим объёмом. В этом случае по мере расходования воздуха объём будет уменьшаться, а давление оставаться примерно постоянным. Сжатие газа генерирует большое количество тепла, и вся эта энергия теряется при хранении воздуха, когда он остывает. Эти потери могут быть уменьшены, если сжимать воздух в двух или более ступенях, охлаждая его между ступенями, но всё равно потери будут оставаться значительными. С другой стороны, в процессе, использующим сжатый воздух для работы двигателя, главной проблемой является получение работоспособной системы. Когда газ расширяется, он охлаждается, и если запасённый воздух не является совершенно сухим (а это так и есть), в трубопроводе и цилиндрах двигателя влага начнёт замерзать, и двигатель скоро прекратит работу и остановится. Сжатый воздух, используемый в двигателе локомотива, смешивается со смазкой, применяемой для уменьшения сил трения и снижения износа пневмооборудования, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Большим преимуществом пневматических локомотивов, правда, редко используемым на практике, является обратимость пневмодвигателя, возможность перевода его в компрессорный режим и, тем самым, осуществление рекуперации энергии торможения, что в энергетическом смысле аналогично применению рекуперативного торможения на электровозах.

1.2. Зарубежные пневмолокомотивы

Пневмолокомотивы Андро и дю Мотай. Первое фактически осуществлённое пневматическое рельсовое транспортное средство было построено М. Антуаном Андро и Тесси дю Мотай (полное имя Киприен-Мари Тесси дю Мотай) в 1839 г. на заводе Chaillot в Париже, Франция, и испытано в 1840 г. Давление в запасающих баллонах составляло 17 ат, а давление двигателя – 3 ат, что предполагает использование редукционного клапана.

В 1844 г. М. Андро построил локомотив 1-1-1 массой 5 т с одним клёпаным воздушным резервуаром, вмещавшим 3 м

 воздуха при давлении 21 ат. Впервые он был испытан в 1844 г. на версальском левобережном треке, проходя обратный путь длиной 3,2 км со скоростью от 27 до 32 км/ч.

Из патента 1841 г. мы узнаём, что Андро и Тесси дю Мотай основались на улице Шаброль, 35 в Париже; эта дорога до сих пор существует и лежит к юго-западу от Гар дю Нор, где заканчивается маршрут тоннельных поездов из Великобритании. Предполагается, что приведённая иллюстрация локомотива Андро относится к этой машине.

Пневмолокомотив Андро. 1844 г. Изображение из Энциклопедии

католиков, Parent-Desbarres, 1845.

Ёмкость резервуара составляла от 8 до 10 м

 при давлении до 20 ат. Похоже, что цилиндры были внутри рам сзади и действовали на среднюю ось. Энциклопедия утверждает, что локомотив был «двойного действия»; это может означать или что цилиндры были двойного действия, или что использовалось компаундное расширение. Вероятно, это было сделано впервые; если компаундное расширение действительно использовалось, то оно было применено на 50 лет раньше Ходжеса и Портера (см. ниже).

Пневматический локомотив Парси. В 1839 г. Артур Парси получил английский патент (№8,093) на локомотив, приводимый в движение сжатым воздухом. После им было получено ещё два английских патента: в 1844 г. и 1854 г. (№88). Он также получил американский патент (№5,205) в 1847 г.

Пневматический локомотив Парси. 1847 г. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Резервуар A заполнялся воздухом, «сжатым до такой степени, как это было совместимо с безопасностью», который питал камеру ресивера D, давление в двигателе поддерживалось автоматическим редукционным клапаном C, через который воздух по трубам подавался в шпилевидный вертикальный двигатель двойного действия B. Использование ресивера пониженного давления между основным (запасающим) резервуаром и двигателем вначале было характерно для многих подобных устройств. Парси планировал использовать давление в основном резервуаре от 70 до 140 ат при давлении в двигателе 4,2 ат. Клапан F служил для зарядки воздухом, а G являлся предохранительным клапаном. Двигатель имел два цилиндра, чтобы предотвратить проблемы с мёртвой точкой. Локомотив предназначен для работ на угольных шахтах, где отсутствие дыма и огня было бы большим преимуществом. Изображение взято из американского патента.

Современная иллюстрация локомотива на сжатом воздухе

Парси. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Локомотив является точным представлением модели, показанной ниже. Йоркский железнодорожный музей уверенно заявляет, что полномасштабная версия не была построена. Эта сцена является воображаемой, и, конечно, не показывает работу в угольной шахте. Это изображение появилось в « Иллюстрированных лондонских новостях» за 28 февраля 1846 г., стр. 140, во главе статьи, озаглавленной «Пневматический двигатель Парси», в которой было заявлено про утверждение Парси, что максимальная скорость может варьироваться от 20 до 100 миль в час (32 ? 160 км/ч) за счёт изменения давления в ресивере, и что заряда воздуха будет хватать локомотиву на протяжении 50 миль (80 км) при движении 40-тонного поезда. Зарядные станции должны были устанавливаться каждые 30 миль (около 50 км).

Модель пневмолокомотива Парси. Эта модель находится

в Йоркском железнодорожном музее в Англии. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

По словам сотрудников музея, модель была построена в 1845 г. для демонстрации патентов Парси 1839 и 1844 гг., а позднее была представлена директорам Большой западной железной дороги покойным сэром Джеймсом Кейрдом Бт. Он был судовладельцем, поэтому непонятно, как она к нему попала. Маленький зелёный цилиндр непосредственно над центральной осью является одним из паровых цилиндров. Большой зелёный цилиндр справа от него – приёмник воздуха после того, как он снизился до рабочего давления двигателя. Поверх него находится маховик и винт, который устанавливал давление в редукционном клапане. Между колёсами нет спаривания, и оно невозможно, поскольку колёса имеют разные диаметры, поэтому ведущей является только средняя ось. Это, вероятно, приводило бы к проскальзыванию колёс, если бы была построена полноразмерная версия.

Двигатель пневматического локомотива Парси. 1846 г. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Этот рисунок взят из вышеприведённого художественного цикла иллюстрированных лондонских новостей. Несмотря на плохое качество он достаточно информативен. Два запасающих резервуара А, по-видимому, постоянно соединены друг с другом через трубу OCK. Ресивер находится на E, а редукционный клапан на G. Два цилиндра двигателя находятся на K.

Американский патент содержит вызывающий сильное недоумение второй раздел, согласно которому пневмолокомотив снабжён средствами для подачи воздуха обратно в ресивер после его использования в двигателе. Парси говорил: «Я предлагаю при некоторых обстоятельствах вместо того, чтобы позволять его выпускать[8 - Имеется ввиду воздух в атмосферу.], как пар двигателя высокого давления, возвращать сжатый воздух в ресивер А после того, как он воздействует на поршень». Видимо, он имел в виду резервуар A (то есть основной резервуар-хранилище), так как ресивер помечен буквой D, что означает, что давление использованного воздуха должно быть поднято до 70 ат или около того; эта путаница с терминами подрывает доверие к мистеру Парси. А что значит «некоторые обстоятельства»?

Теперь, если эта накачка относится к рекуперативному торможению, это было бы впечатляюще; но это не так, и это вызывает опасение, что предполагается какой-то вечный двигатель. Фактически Парси предполагал, что накачка может производиться вручную (что совершенно непрактично), но он предпочитает «использовать небольшой паровой двигатель» для выполнения этой задачи. Поэтому в простой пневматический локомотив теперь добавились паровой котёл, резервуары для воды, хранилище для угля и так далее. Это неразумно и показывает, что мистер Парси был не очень практичным человеком.

В 1846 году модель Парси была выставлена в офисе компании по производству сжатого воздуха Parsey, №5 Pall Mall East, где её видел Уильям Уильямс с Риджент-сквер в Лондоне. Он не был впечатлён. Он чувствовал, что «… высокая похвала и покровительство, которые были возложены на изобретение» были незаслуженными, поскольку упускались из виду потери мощности в редукционном клапане. Он согласился с тем, что редукционный клапан забирал небольшое количество воздуха при высоком давлении и давал больший объём при более низком давлении, но убедил себя, что есть скрытые потери, которые приведут к уменьшению радиуса действия локомотива до одной или двух миль. Мысли Уильямса были опубликованы в журнале «Mechanics Magazine», т. 44, стр. 200, сб. 14 марта 1846 г., №1179. Другим критиком был некто «A W», который считал предложение Парси чем-то вроде «пузыря», то есть весьма умозрительным и, возможно, неправильным. Похоже, он ещё меньше вникает в ситуацию, чем мистер Уильямс, полагая, что падение давления в редукционном клапане представляет собой мощность, которая будет полностью потеряна. Он заключает: «Я не могу не добавить, что 1000 фунтов на квадратный дюйм – опасное давление для такого применения. Проектировщики утверждают, что воздух обладает всей экспансивной мощностью пара; это совершенно верно, но также верно и то, что он одинаково опасен». Это кажется справедливым комментарием, если Парси намеревался использовать медные сосуды при 70 ат. На стр. 221 этого номера журнала «Mechanics Magazine» некий ещё менее осведомлённый «J M» ошибочно написал о потерях в редукторе. Ни один из корреспондентов не упомянул о вполне реальном источнике неэффективности всего процесса – потерях при сжатии воздуха, в первую очередь.

Пневматический локомотив, использовавшийся в

Сен-Готардском тоннеле. 1876 г.

Это первое широкое применение локомотивов на сжатом воздухе для перевозок. На этой иллюстрации изображён локомотив типа 0?2?0. Преимущество его использования состояло также и в том, что холодный воздух при выхлопе способствовал вентиляции тоннеля. Масса локомотива приблизительно 7 т. Источник: журнал «Popular Science Monthly», т. 10, 1877.

Пневматические локомотивы для Сен-Готардского тоннеля. Сен-Готардский железнодорожный тоннель в Лепонтинских Альпах был построен в 1871 – 1881 гг. Его длина 15 км, и через него проходит самый высокий участок Готардской железной дороги в Швейцарии, соединяя Гёшенен с Айроло. Это первый тоннель, который пересёк перевал Сен-Готард. Тоннель двухпутный; ширина колеи нормальная европейская.

Пневматический локомотив №6 Сен-Готардского тоннеля