В XXI веке газотурбинная тяга снова появляется на железнодорожных линиях. Развитие на протяжении прошедшего столетия авиационных ГТД позволило буквально сделать революцию в самолетостроении. Менее активно внедрялись газотурбинные двигатели в наземном транспорте, в частности, железнодорожном. Здесь ведущими при оценке эффективности нового вида тяги были вопросы тепловой экономичности первичных двигателей, а также их надежности. В те годы на автономных локомотивах прочные позиции уже завоевал дизель с газотурбинным наддувом, имеющий высокий КПД (37 — 38 %) и по тем временам вполне отвечающий требованиям железнодорожного транспорта по агрегатной мощности в секции.

Вполне понятно поэтому, что при создании первых газотурбовозов речь шла, прежде всего, о проверке эксплуатационных качеств ГТД в условиях резко переменных режимов их работы. Несомненно, учитывались также перспектива дальнейшего повышения кпд газотурбинного двигателя, возможность создания автономных локомотивов большой мощности. За последние годы в области отечественного и зарубежного дизелестроения достигли существенного снижения расходов на топливо и масло, повышения кпд дизеля (до 42 — 44 %).

В США дизелестроительные фирмы за последние 20 — 25 лет значительно снизили (до 25 %) расход топлива на тягу, что позволило сэкономить сотни миллиардов долларов.

Чтобы догнать США, потребуется 10 — 15 лет, а стоит ли тратить время на эти работы, а не лучше ли направить усилия на применение на автономном подвижном составе новых типов силовых установок? Анализ показывает, что в настоящее время наиболее готовыми к применению на железнодорожном транспорте являются газотурбинные двигатели четвертого поколения (созданные для военно-промышленного комплекса), специально переработанные для нужд наземного транспорта.

Работы по использованию природного газа в качестве топлива для газотепловозов проводятся в ОАО "РЖД" начиная с 1984 г. C учётом размеров разведанных запасов природного газа, значительно превышающих разведанные запасы нефти, создание перспективного подвижного состава железных дорог будет ориентировано на топливно-энергетические ресурсы, обеспеченные в стране на длительную перспективу. Природный газ относится к их числу.

Эффективность газотепловозной тяги будет определяться объёмами замещения дорогостоящего дизельного топлива на значительно более дешевое газомоторное топливо (сжиженный и сжатый природный газ), а также экологическими преимуществами газового топлива, что особенно важно при эксплуатации в крупных транспортных узлах.

За рубежом в практике локомотивостроения последних лет для турбопоездов и скоростных газотурбовозов применяют авиационные двигатели, приспособленные к условиям железных дорог. Так как газотурбинному двигателю на локомотиве предстоит конкурировать с дизелем, то вопросы экономичности, надежности и срока службы — первостепенные.

В настоящее время принципиальным является выбор параметров газотурбовоза и газотурбинного двигателя. Ряд специализированных предприятий в России готовы разработать, изготовить опытные образцы и поставлять специальные ГТД для газотурбовозов. Подготовлены технические предложения как применить газотурбинные двигатели на подвижном составе. В основном они выполнены по одновальной схеме с регенератором. Работа ГТД предусмотрена на газе — может использоваться как сжатый газ, так и сжиженный.

Характеристики удельного расхода топлива дизелем Д49 (1-9ДГ) мощностью 2206 кВт, замеренные на тепловозе, а также ориентировочные (расчетные) газотурбинными двигателями №1 и №2 мощностью соответственно 4 и 6 тыс. кВт (рис. 1). В связи с отсутствием опытных образцов таких двигателей расход топлива на холостом ходу и потребность в маслене определены.

Рис. 1. Характеристики удельного расхода топлива в зависимости от мощности

Учитывая особенности газотурбинного двигателя — большую мощность при малом весе — возможно создание автономного локомотива с параметрами по тяге и скорости, равноценного перспективному электровозу, и даже превосходящего его, что недоступно тепловозу.

1.Преимущества газотепловозной тяги

1.1 Экономические выгоды использования газотепловозной тяги

Применение природного газа в качестве моторного топлива имеет для ОАО "РЖД" весьма актуальное значение. Затраты на дизельное топливо для тепловозов составляют около 20% общих эксплуатационных расходов в локомотивном хозяйстве компании. В условиях жёсткого тарифного регулирования ОАО "РЖД" вынуждены искать пути снижения себестоимости перевозок с целью повышения конкурентоспособности на рынке транспортных услуг. Применение природного газа в качестве моторного топлива при определённых условиях может дать значительную экономию средств направляемых на энергоносители.

Это преследует несколько целей: экономию средств на приобретение топлива, поскольку цена эквивалентного количества газа значительно (до 50 %) ниже, чем дизельного топлива; снижение вредных выбросов в атмосферу с выпускными газами дизелей, так как при работе на природном газе их токсичность значительно ниже, чем при работе на дизельном топливе, а дымность (сажа) меньше на порядок; обеспечение устойчивого топливоснабжения тепловозов в перспективе с учетом динамики изменения добычи нефти и газа, их сравнительных запасов и прогнозов истощения месторождений.

Актуальность этой проблемы определена правительственными документами: федеральной целевой программой «Топливо и энергия» и Концепцией энергетической политики России в новых экономических условиях [1].

Расчёты показывают, что суммарное замещение дизельного топлива природным газом на железнодорожном транспорте может составить около 1 млн. т/год, а потребность в природном газе - 1,2 млрд. м3/год.

1.2 Недостатки дизелей

За последние 20 лет промышленностью достигнуто значительное улучшение технико-экономических показателей дизельных силовых установок.

Так, у современных дизелей максимальное давление сгорания достигает 18,0...25,0 МПа, что позволяет реализовать индикаторный КПД на уровне 0,55. Это соответствует удельному индикаторному расходу топлива 154 г/(кВт·ч). С учетом максимально возможного механического КПД дизеля 0,9 минимальный удельный расход топлива составляет 170 г/(кВт-ч). Кроме механических потерь, существуют затраты энергии на охлаждение (4...6 %). Реально на локомотивах может быть реализован максимальный эффективный КПД η_е=0,47(179г/(кВт·ч)).

Дальнейшее увеличение параметров цикла нецелесообразно из-за значительных потерь, связанных со свойствами реальных газов и ростом влияния вредного пространства камеры сгорания на показатели работы двигателя. Кроме того, возрастают трудности смесеобразования и токсичность выпускных газов. На фоне возрастающих требований к снижению токсичности выпуска, последнее обстоятельство является достаточно существенным. Появляется необходимость снижения экономичности и установки систем очистки выпуска с подогревом выпускных газов на режимах частичных нагрузок. Это приведет к потере экономичности двигателя еще на 2...3 %. Таким образом, можно считать, что в перспективе экономичность дизельных двигателей не будет лучше 175 г/(кВт·ч). Удельный вес дизелей может снизиться в 1,5...2 раза за счет увеличения быстроходности, однако всегда останется необходимость смены форсунок и поршневых колец. Затраты на обслуживание и ремонт дизелей составляют более 50 % всех затрат на обслуживание и ремонт тепловозов. Затраты связаны не только с приобретением запасных частей, но и с тяжелым физическим трудом, не поддающимся механизации и автоматизации.

1.3 Преимущества газотурбинных двигателей

Названные недостатки дизелей заставляли конструкторов и ученых искать альтернативные варианты силовых установок для автономного подвижного состава.

Анализ показывает, что в настоящее время наиболее готовыми к применению на железнодорожном транспорте являются газотурбинные двигатели четвертого поколения, специально переработанные для нужд наземного транспорта. Не случайно в США в 2000 г. был выпущен на испытания пассажирский локомотив с газотурбинным двигателем.

Привлекают низкие весовые и габаритные показатели ГТД, конвертируемость на природный газ, пропанобутановые смеси и жидкие топлива, получаемые из природного газа, высокая экологическая эффективность (выбросы вредных веществ при работе ГТУ в 15-20 раз ниже, чем при работе дизелей), малая трудоемкость текущего обслуживания, отсутствие ряда вспомогательных систем, присущих дизельным установкам, возможность повышения эффективного К.П.Д. до 50% и более при применении регенерации тепла, возможность использования твердых топлив при переводе на цикл с внешним подводом тепла и др.

Газотурбовоз - перспективный вид тяги (стр. 1 из 4)

ВВЕДЕНИЕ

1.Преимущества газотепловозной тяги

1.1 Экономические выгоды использования газотепловозной тяги

1.2 Недостатки дизелей

1.3 Преимущества газотурбинных двигателей