Газотурбовоз - перспективный вид тяги (стр. 2 из 4)
Конечно, сдерживающим фактором является высокая цена таких двигателей. Однако по нашим расчетам стоимость жизненного цикла локомотива с ГТУ при применении природного газа или пропанобутановых смесей в 1,5-2,0 раза ниже: чем стоимость жизненного цикла тепловоза, работающего на дизельном топливе. При расчетах не учитывался дополнительный эффект, связанный со снижением выбросов вредных веществ и платой за нарушение экологических требований [22].
Достигнутый в настоящее время КПД тепловоза не превышает 32 % (обычно 27 — 30 %) и ограничивается, главным образом, величиной КПД первичного двигателя, т.е. дизеля. Возможности его совершенствования в настоящее время исчерпаны. Об этом свидетельствует тенденция изменения характеристик дизелей: за последние 30 лет среднеэксплуатационный КПД увеличился менее чем на 3 %.
Дизель (а также газодизель) — это тепловой двигатель, и его КПД ограничен величиной КПД цикла Карно. Поэтому повышения КПД увеличением максимальной рабочей температуры цикла добиться не удается, так как начинается термическая диссоциация молекул. Кроме того, снижается прочность деталей и их ресурс, что также накладывает ограничение. Температура выхлопных газов определяется степенью последующего расширения, которая, в свою очередь, ограничена габаритами дизеля и рядом других параметров, не позволяющих эту температуру существенно понизить.
Таким образом, единственная возможность значительно улучшить характеристики тепловоза - это отказ от теплового двигателя в пользу химических источников тока - топливных элементов (ТЭ), непосредственных преобразователей химической энергии топлива в электрическую. В сущности, ТЭ отличаются от обычных гальванических элементов лишь непрерывным подводом веществ, вступающих в токообразующую реакцию, и таким же непрерывным их отводом.
Следует отметить, что топливные элементы не являются тепловым двигателем, и их КПД не ограничен циклом Карно, т.е. он теоретически может достигать 100 % (практически достигнутые значения — 60 - 80%). Более того, специфика токообразующих реакций такова, что электрическая работа может быть больше теплового эффекта реакции.
Построены и испытываются опытные образцы новой техники. Известны проекты применения ТЭ на городском транспорте. Существуют разработки стационарных теплоэлектростанций, в которых использование твердого топлива обеспечивается путем его газификации в газогенераторах, совмещенных с высокотемпературными ТЭ. Этот же путь (предварительная газификация) может быть использован и на передвижных энергетических установках[3].
Таким образом, перспективой на ближайшие 5-10 лет могут стать газотепловозы, а повсеместный переход на газотурбинную тягу в мире произойдет в 20-30-е годы, которую потом заменят тепловозы на ТЭ.
2. Газотурбовозы
2.1 Газотурбинный двигатель
Газотурбинный двигатель – тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс газотурбинного двигателя может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объеме [4].
По своему предназначению газотурбинный двигатель (ГТД) — машина транспортная, поэтому при выборе типа силовой установки для первых типов локомотивов ему было уделено достаточно много внимания. Начало использования газотурбинных двигателей на железнодорожном транспорте практически совпало с внедрением их в самолетостроении. Если высокая удельная мощность такого типа двигателей обеспечивала им преимущество перед поршневыми в авиации, то в локомотивостроении они в то время не могли конкурировать с высокоэкономичными тепловозными дизелями.
В последние годы тепловая экономичность газотурбинных двигателей значительно повысилась и уже вплотную приблизились к поршневым. Поэтому, естественно, снова возрастает интерес к использованию газотурбинной тяги на железнодорожном транспорте.
Впервые в мире локомотив с ГТД (газотурбовоз) № 1101 мощностью 1618 кВт (2200 л.с.) был построен в 1941 г. в Швейцарии фирмой «Браун-Бовери» для Швейцарских федеральных железных дорог. Газотурбинный двигатель (рис. 2) представлял собой одновальную силовую установку с регенерацией тепла уходящих газов, смонтированный на одной раме с редуктором и генератором постоянного тока. Рама также служила резервуаром для топлива и масла. Технические характеристики первых газотурбовозов и их газотурбинных двигателей (табл. 1).
Рис.2. Газотурбинный двигатель газотурбовоза №1101
Таблица 1
Основные технические данные газотурбовозов, которые были построены первыми в различных странах
 Наименование параметов | СССР | Швейцария | ЧССР | Англия | США | |||||||
| Коломенский тепловозостроительный завод | Фирма «Браун-Бовери» | «Заводы имени Ленина» («Шкода») | Фирма «Метрополи-тен-Виккерс» | Фирма «General Electric» | ||||||||
| Г1 | Г | 110 | 180 | ТЛ65900 | 18100 | 4500 | 8500 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |||||||
| Год выпуска | 1959 | 1964 | 1941 | 1949 | 1958 — 1960 | 1952 | 1948— 1954 | 1358—1961 | ||||
| Осевая формула | Зо-Зо | Зо-Зо | 1+ 10+20+10+1 | 1+ 10+20+10+1 | 3+3 | Зо-Зо | 2о+20-20+20 | 2(30-30) | ||||
| Род службы | Грузовой | Пассажирский | Грузопассажирский | Пассажирский | Грузовой | |||||||
| Число секций | 2 | 1 | 2 | |||||||||
| Общая масса, т | 140 | 129 | 92,1 | 118 | 123 | 132 | 235 | 408 | ||||
| Запас топлива тяжелого(легкого) кг | 9500 (1500) | 11000 (850) | 4200 (1500) | 6580 (1000} | 3420 (162) | 6600 (4060) | 2450 (3400) | 8600 (8500) | ||||
| Нагрузка от оси на рельсы, тс | 23,3 | 21,5 | 16,1 | 20,1 | 20,5 | 21,9 | 29,5 | 31,2 | ||||
| Конструкционная скорость, км/ч | 100 | 160 | 113 | 145 | 85/125 | 145 | 105 | |||||
| Передача мощности на колеса | Электрическая постоянного тока | Механическая, две ступени скорости | Электрическая постоянного тока | |||||||||
| Газотурбинный двигатель, тип | Одновальный | Одновальный с регенератором | Двухвальный с регенератором | Одновальный | ||||||||
| Мощность, кВт/л.с. | 2574/3500 | 1618/2200 | 1838/2500 | 2265/3080 | 2206/3000 | 3309/4500 | 6250/8500 | |||||
| Число оборотов в минуту | 8500 | 5200 | 5800 | 5550 | 7000 | 6900 | 4860 | |||||
| Удельный расход топлива, г/кВт-ч | 327 | 376 | 380 | — | 328 | 380 | _ | |||||
| Компрессор, тип | Осевой | |||||||||||
| Число ступеней | 12 | 21 | 29 - | 17 | 15 | 16 | ||||||
| Расход воздуха, кг/с | 26 | 28,1 | 28 | 29,7 | 22,6 | 41 | 72 | |||||
| Камера сгорания, тип | Прямоточная,секционная | Прямоточная | Прямоточная ,секционная | |||||||||
| Число камер сгорания | 6 | 1 | 6 | 10 | ||||||||
| Ступеней турбины | 4 | 2/1 | 5 | 2 | ||||||||
| Температура газов перед турбиной, "С | 727 | 650 | 700 | 790 | ||||||||
| Количество построенных локомотивов | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 25 | 30 | |||||
2.2 Современные газотурбовозы
В настоящее время компания-оператор «Amtrak» в рамках реализуемой программы повышения скоростей движения пассажирских поездов осуществляет модернизацию принадлежащих ей семи пятивагонных турбопоездов «RTL-Turboliner». Первый был в опытном порядке модернизирован с установкой на моторных вагонах ГТД типа «TurbomecaTM-1600» компании «MakilaTurbines». Усовершенствована также система управления силовым агрегатом, применена новая система подачи топлива, а также изменена компоновка оборудования пассажирских салонов. Эксплуатация этого турбопоезда в течение семи лет на маршруте Нью-Йорк — Олбани дала хорошие результаты.
Однако при последующей модернизации, выполнявшейся заводом компании «SuperSteei» в Скенектади (США), устанавливались новые турбины типа «Turbomeca» мощностью 1000 кВт, тяговые гидропередачи компании «Voith»и микропроцессорные системыу правления.
Первый модернизированный турбопоезд по данному проекту ввели в эксплуатацию на том же маршруте в апреле 2003 г. Вместе с тем, специалисты считают, что в дальнейшем целесообразно повысить мощность ГТД турбопоездов до 2940 кВт (использовать две установки) и применить электрическую передачу переменного тока, способную передавать мощность всем колесным парам моторных вагонов. Это позволит не только повысить на 15 — 20 % ускорение поезда, но и включить в поезд дополнительный вагон, увеличив тем самым число сидячих мест.
В настоящее время за рубежом принимают различные меры, чтобы повысить скорости пассажирского движения, поэтому значительно возрос интерес к использованию на железнодорожном транспорте. При увеличении скоростей движения поездов до 200 — 250 км/ч значительно изменяются требования к подвижному составу, особенно когда они осваиваются на существующем верхнем строении пути. В числе решающих факторов оказываются масса и габариты энергетического оборудования.