Турбовозы. История, теория, конструкция

В течение этого же периода времени в Англии, кроме указанных, были построены два турбовоза мощностью 1000 л.с. по проекту Рэмси и Рейда (Общества инженеров) и по проекту Рейда и Маклауда.

В Германии за это время довольно энергично работали над разрешением проблемы паротурбинных локомотивов и были построены: два турбовоза типа 2—3—1 с проектной мощностью 2000 л.с., один – на заводах фирмы Krupp-Zoelly в Эссене в 1924 г., а спустя два года второй – фирмой Maffei в Мюнхене[9 - См. выше.].

Затем в это же время на заводе Henschel в Касселе был построен танк-турбовоз типа 2—4—2 на 2000 л.с. и турботендер, т. е. тендер с установленной на нём турбиной в качестве компаундированного двигателя к паровозу с поршневой машиной.

В Швеции, Швейцарии, Англии и Германии несколько лет велись опыты над паролокомотивами, приводящимися в движение быстроходными турбинами.

Считалось, что турбина, благодаря высокой частоте вращения, имеет большие преимущества в смысле использования её полезного действия.

В 1927—1928 гг. на заводах Krupp и Maffei приступили к постройке турбовозов с давлением в котлах 60 и 150 ат, но вследствие кризиса постройка была прекращена и начатые сборкой турбовозы были разобраны.

В США в это время турбовозостроением не занимались и дело ограничивалось только составлением проектов.

Все построенные турбовозы были конструктивно несовершенны и распространения не получили.

Примерно с 1935 г. опытное паротурбовозостроение становится опять в центре внимания. В Англии появился паротурбовоз типа 2—4—2 массой 133 т с конденсацией пара и электрической передачей с рабочим давлением в котле 22 ат, температурой перегрева 450°C и конструкционной скоростью 175 км/ч. Вслед за ним появился паротурбовоз типа 2—4—2, тоже с тендер-конденсатором и электрической передачей, массой 134 т.На нём был установлен котёл системы Stenber Mond с рабочим давлением 40 ат и температурой перегрева 525°C; локомотив развивал мощность 3400 л.с., а конструкционная скорость его составляла 140 км/ч.

Несколько спустя был построен паротурбовоз типа 2—4—2 с электрической передачей (но без конденсации пара) с рабочим давлением в котле 22 ат, температурой перегрева 450°C; служебной массой 145 т, мощностью 2800 л.с.; локомотив развивал рекордную скорость 200 км/ч.

Параллельно с этим велось проектирование и строительство мощных паротурбовозов с высоким давлением и конденсацией пара. Так, например, в СССР в 1936 г. было закончено проектирование паротурбовоза мощностью 4000 л.с. с давлением 140 ат. В 1938 г. в США был введён в пробную эксплуатацию паротурбовоз с давлением 105 ат мощностью 5000 л.с. Он имел электрическую передачу.

Все турбовозы как низкого, так и высокого давления обладали сравнительно высокими тягово-теплотехническими достоинствами, но ни один из них в серийное производство не поступил из-за сложности конструкции и вытекающих из этого высокой первоначальной стоимости и больших эксплуатационных расходов.

Таким образом, имелись только единичные опытные экземпляры турбовозов. Вопрос об их распространении оставался ещё открытым, так как главнейшее преимущество паровоза над всеми другими видами локомотивов – простота конструкции и выносливость – осталось. Турбовозы очень сложны и, следовательно, значительно дороже. Поэтому у них выше капитализационные и амортизационные расходы, расход на ремонт и пр. Но, с другой стороны, здесь меньше расходы на топливо и воду, очистку котлов, сохранность пути и пр. Все эти системы турбовозов могли быть жизненны только в том случае, если вторая экономия покроет первые убытки, но это могла доказать только продолжительная эксплуатация.

Во всяком случае был создан новый вид локомотива, который при дальнейшем усовершенствовании мог дать благоприятные результаты, особенно в холодных регионах (Сибирь и её северные магистрали) при применении воздушных конденсаторов.

Во время создания опытных паротурбовозов предвидились только затруднения освоения их железными дорогами, как агрегатов значительно большей сложности, чем паровозы. Существовавшие в то время на транспорте кустарные методы участкового ремонта, грубые методы эксплуатации машин и пути могли значительно понизить экономичность турбовозов и их высокую мощность. Перед конструкторами и изобретателями встала поэтому задача упростить до возможных пределов паротурбовоз и сделать его конкурентоспособным с паровозом как в отношении первоначальной стоимости, так и эксплуатационных расходов. Практически это означало необходимость применения механической передачи.

Однако на этом пути имелись серьёзные препятствия чисто конструктивного характера. Основное из них – отсутствие таких механических сопряжений (соединительных муфт и реверсивных механизмов), которые в состоянии были бы удовлетворить всем эксплуатацнонным требованиям (надёжность, эластичность и экономичность в работе) при передаче столь больших мощностей от. вала двигателя на движущие оси.

В СССР и за рубежом усиленными темпами велась научно-исследовательская и экспериментальная работа, имеющая своей целью решить эту трудную проблему. Результаты этой работы были весьма значительны, и строительство мощных локомотивов с механической передачей стало вполне возможным.

Следует здесь подчеркнуть, что в применении к паротурбовозу механическая (зубчатая) передача играет особо важную роль. Помимо упомянутого упрощения локомотива она позволяет решать ряд других весьма важных конструктивных задач.

Вопрос о весе важен в связи с эффективной мощностью на сцепке. В общем можно сказать, что чем больше вес машины, тем меньше тяговое усилие на сцепке, потому что большее количество силы, развиваемой в цилиндрах, расходуется на передвижение самой машины. Но в этом отношении турбинный локомотив имеет явное преимущество перед другими машинами благодаря его более высокому термическому коэффициенту, так что даже более тяжёлый турбинный локомотив может всё ещё сжигать меньше топлива на упряжную л.с., чем соответствующий паровоз нормального типа. Тем не менее чрезмерный вес вреден, и мы можем ожидать увидеть старания уменьшить его в будущих проектах турбинных локомотивов. В проектах локомотивов значительное внимание в продолжение последующих лет было обращено на уменьшение веса. Это было сделало, исходя из двух точек зрения, именно: принимая во внимание нагрузку на ось и желание увеличить работу, передаваемую на сцепку, при данной мощности цилиндров. Bec на 1 л.с. паровозов упомянутой Лондонской и Северовосточной Компании Pacific является образцом того, что может быть достигнуто, и это тем более замечательно, так как сюда включается вес тендера, нагруженного 8 т топлива и 18,9 м

воды. До этого английские паровозные конструкторы выказывали явное несочувствие к введению усложнений, которых можно было бы избежать, и, таким, образом, неизвестно, как они посмотрели бы на паролокомотив, приводимый в движение турбиной с сопутствующим ей конденсатором и прочими препятствиями.

Как известно, мощность турбины в паротурбовозах обычно лимитируется паропроизводительностью котла. При зубчатой передаче диаметр ведущих колёс может быть взят минимальным, а это значит, что можно установить на локомотиве больший по размерам (диаметру) котёл и соответственно увеличить площадь колосниковой решётки, поскольку это позволяет укороченная (с уменьшением диаметра колёс) колёсная база. При наличии таких условий турбина может быть обеспечена паром без усиленной форсировки котла даже при максимальных нагрузках. Это, в свою очередь, облегчает решение проблемы тяги в котле, сводит до минимума потери от неполноты сгорания (уноса) и в конечном счёте повышает теплотехническую эффективность локомотива.

Из всего сказанного следует, что в паротурбовоз с зубчатой передачей может быть вложена значительно большая мощность, чем в паровоз или тепловоз в одной единице при всех прочих равных условиях.

Начиная с 1936 г., в ряде стран (Швеция, Англия, Франция, США) были построены опытные паротурбовозы с зубчатой передачей мощностью от 2000 до 6900 л.с. в одной едидице, в США запроектирован ещё более мощный паротурбовоз – 9000 л.с.

2.2. Конструкция паротурбовозов

Паротурбовозы относятся к классу паровых локомотивов и в большинстве своём представляют обычные паровозы, в которых паровая машина заменена турбиной. К особенностям конструкции паротурбовозов, помимо двигателя, относится наличие конденсатора. Что касается передачи, то в паротурбовозах используются механические зубчатые передачи, а также передачи тепловозного типа – электрические, гидромеханические и др.

Поэтому далее будут описываться только отличия конструкции паротурбовозов от конструкции других типов локомотивов, как то:

– котлы повышенного и высокого давления, которые, хотя и применялись в обычных паровозах, но лишь в порядке опыта;

– системы вакуумной конденсации, включая сопутствующее оборудование;

– паровые турбины;

– зубчатые передачи;

– тендер.

Котёл. С 1886 по 1897 г. появился ряд котлов высокого давления, а именно:

в Германии в 1886 г. котлы Шмидта и Блом и Фосс на 60 ат;

во Франции в 1888 г. котёл Серполе на 70 ат;

в Швеции в 1897 г. котёл Лаваля на 120 ат.

Котлы Серполе работали в небольших паровозах городского типа; трубы в них были сплющены для уменьшения их сечения по отношению к их поверхности. Котлы Лаваля работали перегретым паром температурой 375—400°C и обслуживали на выставке 1897 г. в Стокгольме четыре турбины Лаваля с давлением пара 100 ат.

В 1911 г. инженер Шмидт построил для своих опытов над паром высокого давления новый котёл на 60 ат, но уже другой системы, а именно вертикальный водотрубный.

Однако, лишь в 1921 г. началась во всех промышленных странах усиленная работа по применению пара высокого давления.

Известная американская компания Babcock & Wilcox в 1923 г. начала производить секционные котлы на давление 84 ат. Но предварительно она в течение восьми лет производила подробные опыты над двумя пробными котлами.

Характерная особенность этих котлов:

а) Слабый уклон труб (около 16°);

б) Сравнительно небольшое водяное пространство, соответствующее в построенных в 1923 г. двух котлах лишь 45% от часовой паропроизводительности.

Котёл, построенный заводом для силовой станции в Калумете Общества Эдиссона Common Wealth Edisson Company в Чикаго, состоит из двух групп труб, в которых нижняя имеет 8, а верхняя 16 рядов. Обе группы отстоят друг от друга на 2,5 м и в этом пространстве расположены перегреватели свежего и промежуточного пара; оба пара перегреваются до 400°C, давление промежуточного пара 21 ат. Над котлом расположен цилиндрический барабан, выкованный, как у Борзига, из цельного куска и служащий сборником пара и для питания котла. В низшей точке котла имеется сборник ила. Подогреватель воды сделан в 44 ряда труб, по 20 в каждом ряду.

Котёл Бабкок-Вилькокс для силовой станции в Калумете Общества

Эдиссона Common Wealth Edisson Company в Чикаго.

Основные размеры главных частей котла следующие:

поверхности нагрева:

– котла – 1463 м

;

– перегревателя свежего пара – 197 м