Турбовозы. История, теория, конструкция

Изменение скорости поезда, а следовательно и скорости венца турбины значительно влияет на величину коэффициента полезного действия турбины. В этом отношении реактивные турбины менее чувствительны, чем активные, так как можно считать, что уже при средних скоростях реактивные турбины работают в лучших условиях. Благодаря этому сторонники активных турбин предложили применить на локомотиве устройство, по идее заимствованное из практики морских ходовых турбин, которые включаются при уменьшении скорости.

Конструктор реактивных турбин может этого усложнения избежать в том случае, когда турбина при средних скоростях даёт высокий коэффициент полезного действия, при малых скоростях она работает ещё в хороших пределах, зато при высоких скоростях достигается чрезвычайно высокий коэффициент полезного действия, который изменяется чрезвычайно мало.

Сила тяги при трогании с места, величина которой при постройке турболокомотивов не была известна, так как не имелось никакого опыта, оказывается значительно выше силы тяги по сцеплению.

Непосредственная передача мощности турбины на сцепные колёса неосуществима; точно так же и простая зубчатая передача, в виде комбинации цилиндрических и конических колёс, могла быть осуществлённой лишь в турболокомотиве Рейда-Маклауда при его малой мощности (около 1000 л.с.). За исключением электрической передачи в локомотиве Рэмси в остальных турболокомотивах конструкторы предпочли передачу с помощью отбойного вала, заимствованную у электрических локомотивов. При этом частота вращения турбины через двойную зубчатую передачу понижается до частоты вращения сцепных колёс, которые получают движение от отбойного вала с помощью ведущих спарников.

Надёжность зубчатой передачи в настоящее время бесспорна. Но что касается вoпроса о реверсировании, то последний не вполне решён. Юнгстрем включает для этой цели одно лишнее зубчатое колесо, что встречает ряд возражений. Крупп и Цёлли применяют реверсивную турбину, что годится, однако, лишь для маневровой службы.

Передача силы тяги при трогании с места при сцепной массе 60 т[2 - При коэффициенте сцепления колеса с рельсом 

/

 это соответствует силе тяги по сцеплению, равной 12000 кгс. Примечание А. А. Чиркова.], также как и передача мощности 2500 л.с. при скорости 120 км/ч с помощью одного отбойного вала, обуславливает появление в редукторе весьма высоких напряжений.

Расположение и соразмерность передаточных органов и изменение направления действующих сил в передаточном механизме и локомотивной раме потребовали подробного специального изучения, так как на упругие деформации изгиба и кручения оказывают влияние такие явления, как тепловые напряжения, игра буксовых подшипников и т. д.

Опыт показал, что передача желаемой мощности вполне возможна, причём открываются перспективы постройки экономичных турболокомотивов с двумя турбинами и двумя отбойными валами на мощности порядка 4000—5000 л.с., т. е. такого, которого требует современный мировой рынок.

При зубчатой передаче проблема обратного хода может быть разрешена двояко: во-первых, путём постановки специальной турбины обратного хода[3 - При работе турбины переднего хода вращение турбины обратного хода в вакууме вогнутостям лопаток вперёд вызывает громадную потерю мощности от трения диска о пар и вентиляции (несколько сот лошадиных сил), что заметно понижает относительный коэффициент полезного действия турбины. При заднем ходе однодисковая турбина заднего хода (обычно колесо Кёртиса), вообще имеющая невысокий относительный коэффициент полезного действия, должна проделывать работу трения и вентиляции, вызываемую вращением главной турбины в вакууме. Вполне понятно, что экономичность езды задним ходом весьма низка. По указанию проф. Нордманна расход пара турболокомотивом Круппа при заднем ходе был равен 23 кг/э.л.с.ч. (Z, d.s V. D. I.1030 г. №6. seite 176). Однако конструктивные затруднения с осуществлением зубчатого переключения настолько велики, что большинство строителей турболокомотивов предпочитали всё же первое решение вопроса, мирясь с значительным понижением экономичности. Примечание А. А. Чиркова.] и, во-вторых, путём приспособления для переключения зубчатой передачи.

Большей частью конструкторы решались на турбину обратного хода, которая, будучи помещена на одном валу с турбиной переднего хода при работе последней, вращается в вакууме. Только Юнгстрем в своих постройках использовал переключение зубчатых колёс, которое при постоянном направлении вращения главной турбины позволяло изменять направление вращения отбойного вала.

Отвод тепла пара в окружающую среду в турболокомотиве является самой серьёзной проблемой, ибо в локомотиве, находящимся в движении, в качестве охлаждающей среды, в неограниченном количестве, имеется только воздух. Однако воздух против воды невыгоден не только из-за своей малой удельной теплоты и следовательно плохой теплопередачи, но кроме того и тем, что его начальная температура подвержена сильным колебаниям.

Воздушный поверхностный конденсатор, который выбрал Юнгстрем, сравнительно с водяным поверхностным конденсатором требует повышенной мощности и большей величины охлаждающей поверхности, причём вакуум в значительной мере зависит от наружной температуры[4 - Мощность вентиляторной установки в турболокомотиве Юнгстрем Байер около 300 л.с., в то время как у турболокомотива Маффей постройки 1924 г. при оросительном обратном холодильнике она равна ~30 л.с. Примечание А. А. Чиркова.].

Очень часто употребляемая форма теплообмена от пара к воде в нормальных поверхностных конденсаторах, с последующим повторным охлаждением охлаждающей воды в оросительном холодильнике, имеет то преимущество, что при небольшой затрате энергии уменьшается зависимость вакуума от внешней температуры и кроме того обеспечивается надёжная плотность конденсатора.

Недостатком такого устройства является расход охлаждающей воды, почему набор воды, необходимый при локомотивах повышенной мощности, сохраняется и при турболокомотивах[5 - Применено в турболокомотивах Цёлли, Круппа, Маффея (1924). Примечание А. А. Чиркова.].

Третьей формой обмена тепла является испарительный конденсатор (оросительный поверхностный воздушный конденсатор), который особо предпочитался конструкторами; при этом турбина мятого пара или низкого давления должна быть, как указывал К. Имфельд в статье «Турбина на локомотиве», помещена вместе с конденсатором на одном экипаже (раме)[6 - Применено в турболокомотивах Геншель, Рейд-Маклауд и Рэмси; кроме того, этот же принцип применён, хотя и в несколько другом виде, в холодильниках советских тепловозов. Однако относительно расположения турбины и конденсатора указание К. Имфельда не совсем точно, так как при холодильниках всех трёх систем обязательно расположение конденсатора и турбины низкого давления на одном экипаже. Это диктуется тем, что создать гибкое соединение между главным экипажем и тендером для отработанного пара при его больших удельных объёмах невозможно. При поверхностных водяных конденсаторах, как это осуществлено в турболокомотивах Цёлли, Kpyппа и др., турбина и конденсатор располагаются на экипаже самого локомотива, а обратный холодильник на тендере, так как устройство гибкого соединения между паровозом и тендером для охлаждающей воды вполне возможно. В турболокомотиве Юнгстрема и др. турбина и поверхностный воздушный конденсатор расположены на тендере. Примечание А. А. Чиркова.].

Опыта над оросительными холодильниками, оросительными конденсаторами большой мощности с искусственным дутьём до постройки первых турболокомотивов не существовало: кроме того эта область доступна только приближённым методам расчёта, поэтому действительная форма охлаждения должна была быть найдена путём очень обстоятельных и длительных опытов. Большей частью имеющиеся холодильники при тщательных лабораторных испытаниях давали в эксплуатации не совсем удовлетворительные результаты из-за загрязнения сажей и маслом. Поэтому была необходима длительная езда и много работы в эксплуатационных условиях, чтобы достигнуть желаемой высоты охлаждающей зоны и следовательно желаемого вакуума.

Фирма I. A. Maffei в Мюнхене построила турболокомотив типа 2—3—1, который испытывался подробными пробными поездками в регулярной службе при районном управлении баварских государственных ж. д. Стремления получить высокий термический коэффициент полезного действия путём повышения начального давления пара, являющегося в настоящее время наиболее радикальным средством, нашли реальное применение в последние годы благодаря инициативе авторитетных лиц германских государственных ж. д. и паровозостроительной промышленности.

После предварительных подробных изысканий германскими государственными ж. д. был дан заказ на ряд опытных локомотивов с котлами высокого давления, частью с поршневыми машинами, частью с турбинными.

Поэтому у фирмы I. A. Maffei находился в постройке локомотив с котлом Бензона и турбинным двигателем.

Котёл Бензона (патент Siemens-Schuckert) был выбран из имевшихся чрезвычайно многочисленных предложений котлов высокого и повышенного давления, как наиболее пригодный дли целей железнодорожной эксплуатации.

При предлагаемом Бензоном процессе вода в критическом состоянии превращается в пар, который затем уже дросселируется до рабочего давления. В этом случае при парообразовании вода превращается из жидкого состояния в парообразное без образования паровых пузырей, благодаря чему вызываемые ими нежелательные явления, как например ухудшение теплопередачи, возможность появления перегрева стенок и в силу этого ухудшение прочности материала, устраняются.

Паросборник, который при высоком давлении имеет большую толщину стенок и из-за этого бывает чрезвычайно тяжёлым, при котле Бензона не нужен, причём отсутствуют также многочисленные соединения паросборника с трубами испарителя и вследствие этого опасности появлений расстройств соединений уменьшаются.

Вследствие простоты постройки системы из непрерывного трубопровода при соответственно небольшом числе уплотнений, она особенно хороша в локомотиве, который постоянно в той или иной мере подвержен упругим деформациям[7 - Практика уже показала, что в паровозах высокого давления Винтертур и Шмидт наблюдаются расстройства соединения труб с паросборниками; это можно объяснить тем, что при расположении последних наверху при их большом весе при трогании с места и при торможении вызываются большие силы инерции. Примечание А. А. Чиркова.].

В котле с малой аккумулирующей способностью и соответственно с большей гибкостью режима работы в эксплуатации возможно наиболее радикальное сохранение экономичности путём достаточно эластичного отопления котла, позволяющего поддерживать всегда необходимый расход пара.

Надо приветствовать то, что железные дороги решились применить на опытных локомотивах, в том числе и на турболокомотиве высокого давления I. A. Maffei, в высокой степени надёжное в работе и рациональное отопление угольной пылью.

Приспособляемость режима работы котла к реализуемым мощностям в железнодорожной эксплуатации значительно проще, чем в стационарных установках, так как изменение режима работы локомотива при данном весе поезда, профиле пути и расписании всегда известно машинисту заранее. Поэтому не было необходимости усложнять конструкцию котла автоматическими регулирующими приспособлениями, а вполне возможно применять ручное регулирование отопления и насоса высокого давления. Неожиданное изменение нагрузки выравнивалось паровым аккумулятором среднего давления.

Круговой процесс всей силовой установки выглядел следующим образом: конденсат, значительно подогретый сначала в подогревателе мятого пара, а затем в вышеупомянутом аккумуляторе продуктами горения, подавался насосом высокого давления примерно при 250 ат в подогреватель высокого давления. Подогреватель, состоящий из пяти параллельно включённых трубчатых батарей, испытывает в топочном пространстве прямую отдачу топки. Перепускной клапан в конце подогревателя поддерживает давление по крайней мере до величины критического давления, причём температура пара лежит выше критической температуры, так что при последующем дросселировании на рабочее давление пар в насыщенное состояние не переходит. В последовательно включённом перегревателе (трубчато-решётчатом) температура пара повышалась до 400°С и пар поступал в колесо Кёртиса турбины высокого давления.

Второй перегреватель повышал температуру пара, которая после колеса Кёртиса близка к температуре насыщения, опять до 400°С. Последующая работа пара происходила, во-первых, во второй части турбины высокого давления, а во-вторых, в турбине низкого давления.

Пар для турбин, приводящих в движение насос высокого давления, вытяжной вентилятор, механизмы холодильника, ответвлялся от главного парового потока между турбинами высокого и низкого давления; остальные вспомогательные механизмы (пароструйный эжектор, тормозной насос и т. д.) работали паром аккумулятора.

Аккмулятор включён параллельно турбине высокого давления. При неожиданном уменьшения нагрузки он забирал пар, полученный в котле Бензона до достижения равновесного теплового состояния.

При внезапной нагрузке в период пуска в ход котла высокого давления турбина низкого давления работала паром аккумулятора.

Обе главные турбины расположены поперёк продольной оси экипажа, над передней, бегунковой тележкой.

Передача мощности на движущие колеса осуществлена через двойную зубчатую передачу, отбойный вал и ведущие дышла (спарники).

Для получения высокого коэффициента полезного действия турбины, вместо устройства отдельной турбины заднего хода, сконструировано переключение зубчатой передачи.

Для осуществления конденсации предусмотрен поверхностный конденсатор, охлаждаемый водой, помещённый на раме локомотива, и обратный холодильник на тендере.

Обратный холодильник применён однако не оросительный, а поверхностный, т. е. нагретая в конденсаторе охлаждающая вода охлаждалась воздухом в поверхностном холодильнике. Это мероприятие хотя и вызывает опасения в смысле понижения экономичности (так как расход энергии на обратное охлаждение здесь может возрасти), но зато, с другой стороны, имеет ряд значительных преимуществ. При поршневом локомотиве и при турболокомотиве с обратным оросительным холодильником время следования поезда, вследствие расхода питательной, вернее охлаждающей, воды ограничивается несколькими часами.

При турболокомотиве с обратным поверхностным холодильником, при котором охлаждающая и питательная вода расходуется только на пополнение утечек (зимой появляется расход на отопление), время следования поезда является исключительно функцией запаса топлива. При соответственно большом запасе топлива на тендере возможна безостановочная езда в течение 6—8 часов. К. Имфельд в своей статье отмечает, что отопление угольной пылью, при которой никакого шлакования на колосниковой решётке не появляется, особенно пригодно для такой езды[8 - Это утверждение К. Имфельда не совсем верно, так как при отоплении угольной пылью наблюдается сильное образование шлаков на трубчатой поверхности и потому чистка топки неизбежна. Сроки чистки даст конечно только опыт. Примечание А. А. Чиркова.].

В обратном поверхностном холодильнике обращается всегда одна и та же вода. Очищенная при первом пополнении она не загрязняет стенок конденсатора и обратного холодильника; кроме того при наличии случайных неплотностей в конденсаторе в циркуляцию котла Бензона поступает совершенно чистая вода.

Против воздушного поверхностного конденсатора поверхностный воздушный обратный холодильник имеет то существенное преимущество, что он нечувствителен к неплотностям.

Труднее обстоял вопрос с котлом и пароперегревателем. Для высоких перегревов до 400°С перегреватель в дымовой коробке недостаточен. Это обстоятельство и далее невозможность увеличить давление пара в огнетрубных котлах выше 20 ат заставляло искать для турбовоза другие типы котлов. Из них могла идти речь только о водотрубных, ибо они позволяют поместить перегреватель вместе с высокой температурой газов и образовать достаточно большое топочное пространство для сжигания пылевидного топлива, т. е. вообще использовать низкосортное топливо. Необходимым условием постановки водотрубного котла на ограниченном пространстве локомотива является питание его совершенно чистой водой, что, в свою очередь, требует применения поверхностного конденсатора. Целый ряд вспомогательных механизмов, как дымосос, вентилятор охлаждающего воздуха, питательные насосы и пр. дают отработанный пар, который, например, Юнгстрем, использует для подогрева питательной воды до 100°С. Отходящие газы он использует для подогрева воздуха, поступающего в топку.

Таким образом развитие паровоза привело к довольно сложной установке. К.п.д. установки при этом должен был повыситься в два раза по сравнению с существовашим, т. е. до 15%.

Давать окончательные суждения о перспективах дальнейшего развития турболокомотивов тогда ещё не представлялось возможным. Уже построенные или находившиеся ещё в постройке локомотивы являлись опытными локомотивами, которые должны были сначала на длительной работе в нормальной эксплуатации доказать свою пригодность и экономическое превосходство.

Резюмируя все сказанное, следует признать, что западноевропейская локомотивная техника к 1930-м гг. подошла вплотную к разрешению проблемы экономичного локомотива. Ряд преимуществ турбинных локомотивов – отсутствие расходов воды, лёгкое компаундирование, использование сцепного веса тендера – позволяли думать, что в некоторых условиях (в безводных местностях) турболокомотивы должны быть вне конкуренции.

Тем не менее, несмотря на казалось бы очевидные преимущества в виде высокого к.п.д., экономичности и возможности использования дешёвого низкосортного топлива, локомотивы с паровыми турбинами не получили сколько-нибудь заметного распространения на сети железных дорог мира, хотя имелось несколько порой относительно успешных попыток их постройки, предпринятых конструкторами различных стран (ранние попытки относятся к началу XX века, последние – к середине 1950-х гг.).

Первый танк-турбовоз с зубчатой передачей типа 0—2—0 был построен в 1908 г. в Италии по проекту профессора Беллуццо. Турбовоз предназначался для маневровой работы. Он не имел конденсации и потому по своей экономичности мало отличался от паровозов. При постройке этого локомотива не были учтены особенности основных характеристик турбины, в силу которых она потребляет чрезмерное количество пара при низкой частоте вращения, иначе говоря при трогании с места и разгоне. После эксплуатации в течение нескольких лет турбовоз был разобран.

В 1909 г. для Северо-Британской ж. д. был построен первый турбовоз с конденсацией пара по проекту инженера Рейда.

Затем вследствие первой мировой войны постройка турбовозов прекратилась и только в 1920 г. фирмой Escher-Wyss в Винтертуре был построен турбовоз, носящий название «Zoelly» или «Швейцарский».

В течение последующих 10 лет до 1930 г. было в разных странах построено ещё около 20 турбовозов разных систем. Большой вклад в область турбовозостроения внесли братья Юнгстрем, по проекту которых построены: первый турбовоз в 1921 г. в Стокгольме (Швеция), типа 2—3—1 с конденсацией пара и зубчатой передачей, мощность его 2000 л.с.и конструкционная скорость 130 км/ч; затем в 1923 г. два турбовоза на заводе NOHAB (Nydqvist & Holm AB) в Швеции (один для Шведских железных дорог и второй для узкой метровой колеи Аргентинских железных дорог, оба мощностью по 1750 л.с.) и в 1925 г. курьерский турбовоз на заводе Beyer-Peacock в Манчестере (Англия) – мощностью 2000 л.с. Наконец, в 1927 г. завод NOHAB построил ещё один турбовоз для Шведских железных дорог мощностью 2000 л.с.