Газотурбовозы: применение газотурбинных двигателей на локомотивах, конструкция и технические характеристики

Особенности применения газотурбинных двигателей на локомотивах. Применение газотурбинных двигателей (ГТД) на локомотивах на первых этапах практически совпало с внедрением их в авиационную промышленность. Если высокая удельная мощность этих двигателей обеспечила им преимущество перед поршневыми двигателями в авиации, то на локомотивах по тепловой экономичности они не могли конкурировать с высокоэкономичными тепловозными дизелями. Это обстоятельство долгое время сдерживало широкое распространение газотурбовозов на железнодорожном транспорте.

ГТД обладает одной существенной особенностью: при понижении температуры наружного воздуха уменьшается работа, необходимая для сжатия воздуха в компрессоре, и полезная мощность турбины возрастает. Благодаря отсутствию воды в системе охлаждения газотурбовоз всегда готов к работе, даже в условиях крайне низких температур, что является важным эксплуатационным преимуществом в регионах с холодным климатом.

Конструкция одновального ГТД с электрической передачей постоянного тока. Газотурбинный двигатель первых отечественных газотурбовозов представляет собой моноблочную жесткую конструкцию, установленную на трех гибких листах на специальном подрамнике. В ГТД применены подшипники скольжения, роторы дискового типа с хиртовым соединением дисков, стянутых центральными болтами. Двигатель выполнен с горизонтальным разъемом по проточной части, что существенно облегчает наблюдение за состоянием лопаток и проведение ремонтных работ в процессе эксплуатации.

Компрессор служит для сжатия и подачи воздуха в камеру сгорания, из которой горячие газы поступают в турбину. Для исключения подсоса выхлопных газов турбины забор воздуха в компрессор осуществляется с боковых сторон кузова через специальную воздухоприемную камеру. Размеры этой камеры определяют величину потерь и поле скоростей потока воздуха на входе в компрессор, что непосредственно влияет на устойчивость и эффективность его работы. Воздухоприемная камера жестко соединена с кузовом газотурбовоза, а с компрессором – через прорезиненное кольцо, обеспечивающее виброизоляцию.

Ротор компрессора дискобарабанной конструкции опирается на два подшипника скольжения: опорный подшипник установлен в передней опоре, а упорно-опорный – в задней. Ротор компрессора соединен с ротором турбины промежуточным валом, который передает вращающий момент и осевую силу давления от ротора турбины к ротору компрессора. Неуравновешенную часть осевой силы воспринимает упорный подшипник компрессора.

Блок камер сгорания состоит из шести прямоточных камер, расположенных горизонтально вокруг корпуса промежуточного вала ГТД. Топливо подводится в камеры сгорания при помощи шести двухконтурных центробежных форсунок, обеспечивающих качественное распыление и сгорание топлива на различных режимах работы двигателя.

Осевая четырехступенчатая газовая турбина включает следующие основные узлы: ротор, промежуточный корпус, промежуточный вал, средний корпус, заднюю опору и выхлопной патрубок. Для улучшения условий осмотра и ремонта некоторые узлы газовой турбины выполнены разъемными по горизонтали: промежуточный корпус, средний корпус, задняя опора и выхлопной патрубок. Газосборники, корпусы лабиринтных уплотнений, а также первый сопловой аппарат являются неразъемными, поэтому перед укладкой ротора турбины в нижнюю половину статора их устанавливают на ротор в специальном приспособлении.

Дискобарабанный ротор турбины состоит из четырех дисков с рабочими лопатками, переднего и заднего полувалов, стянутых центральным стяжным болтом. Такая конструкция обеспечивает необходимую жесткость и надежность при высоких температурах и нагрузках.

На всех построенных газотурбовозах первоначально применялись одновальные ГТД с электрической передачей мощности от двигателя к колесам, поскольку эти двигатели, как и дизельные, не обладали требуемой тяговой характеристикой без промежуточных преобразующих устройств.

Газотурбинный двигатель со свободной тяговой турбиной. Двухвальный ГТД со свободной тяговой турбиной является типичным тяговым двигателем, развивающим максимальный вращающий момент при трогании с места, когда необходима наибольшая сила тяги локомотива. Именно такой двухвальный ГТД мощностью 4412 кВт был создан для пассажирского газотурбовоза с бесступенчатой механической передачей.

Рисунок 2.4.9. Двухвальный газотурбинный двигатель: 1 - осевой компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - турбина компрессора; 4 - тяговая турбина

Тяговые характеристики локомотивов с различными типами двигателей наглядно демонстрируют преимущества двухвальной схемы. Анализ зависимостей относительного крутящего момента от частоты вращения показывает, что одновальный ГТД, подобно дизелю, не обеспечивает необходимой тяговой характеристики. Более того, минимальная частота вращения, при которой он может принять нагрузку, составляет всего 0,43-0,6 от расчетной. Поэтому одновальный ГТД и дизель требуют применения передачи с переменным передаточным отношением.

Рисунок 2.4.10. Зависимость относительного крутящего момента М на выходном валу двигателя от относительной частоты вращения n при работе ГТД по внешней характеристике: 1 - одновальный ГТД; 2 - дизель; 3 - ГТД со свободной тяговой турбиной; 4 - идеальная тяговая характеристика; 5 - кривые сопротивления движению поезда для различных подъемов

Важным параметром, характеризующим тяговые качества локомотивного двигателя, является коэффициент приспособляемости kпр​, представляющий собой отношение максимального вращающего момента двигателя к моменту при максимальной частоте вращения выходного вала. Для ГТД со свободной тяговой турбиной kпр​=2,4−3,0, в то время как для дизеля этот показатель составляет всего 1,25-1,35, что убедительно демонстрирует преимущества газотурбинного двигателя с независимой тяговой турбиной.

Для обеспечения требуемой тяговой характеристики при проектировании локомотивных ГТД необходим специальный подход, позволяющий получить характеристику, близкую к гиперболической. Это было успешно достигнуто при проектировании двухвального ГТД со свободной тяговой турбиной мощностью 4412 кВт.

Двухвальный ГТД представляет собой моноблочную конструкцию с выносными камерами сгорания, установленную на трех гибких листовых опорах. Конструкция двигателя позволяет снимать и устанавливать свободную тяговую турбину без нарушения установки турбокомпрессора, что существенно облегчает техническое обслуживание и ремонт.

Сопловой аппарат свободной тяговой турбины выполнен поворотным для настройки характеристик совместной работы турбокомпрессора и свободной тяговой турбины, а также для улучшения приемистости и рабочих характеристик двигателя. Для этих же целей направляющие аппараты первых пяти ступеней осевого компрессора также выполнены поворотными, что позволяет оптимизировать работу двигателя на различных режимах.

Единый ротор турбокомпрессора установлен на двух подшипниках скольжения таким образом, что диски турбины и компрессора являются консольными. Опорно-упорный подшипник расположен в передней опоре компрессора. Проточная часть турбины компрессора состоит из неразъемных узлов: сопловых аппаратов первой и второй ступеней, лабиринтных уплотнений и диафрагм. Наружный корпус, корпус подшипника и опорный подшипник выполнены разъемными для удобства обслуживания.

Корпус свободной тяговой турбины и второй сопловой аппарат имеют разъемную конструкцию. Первый сопловой аппарат, механизм привода поворотных сопловых лопаток, корпус задней опоры тяговой турбины, выхлопной патрубок, корпус подшипников и лабиринтное уплотнение являются неразъемными, что обеспечивает необходимую жесткость и точность.

Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Камера или камеры сгорания являются одним из основных узлов ГТД, работающего по открытому циклу. Рабочим телом ГТД открытого цикла служит атмосферный воздух, используемый в качестве окислителя для сжигаемого в камерах сгорания жидкого или газообразного топлива. Камера сгорания предназначена для повышения температуры воздуха от значения на выходе из компрессора до температуры газа на входе в первый сопловой аппарат турбины.

Процесс сжигания топлива в камерах сгорания происходит практически при постоянном давлении потока воздуха, движущегося со скоростью в десятки метров в секунду. При этом наблюдаются большие тепловые напряжения, обусловленные стремлением к минимальным габаритным размерам двигателя, и значительные избытки воздуха, изменяющиеся в широких пределах в зависимости от нагрузки двигателя. От надежной, экономичной и устойчивой работы камеры сгорания непосредственно зависят экономичность и устойчивость работы всего двигателя.

К камерам сгорания локомотивных ГТД предъявляются следующие требования:
- осуществление высокофорсированного сжигания низкосортных сортов жидкого топлива и природного газа;
- обеспечение работы с высоким коэффициентом полноты сгорания при минимальных потерях давления на всех режимах работы;
- гарантированное надежное и быстрое зажигание в период пуска ГТД независимо от времени года и климатических условий;
- обеспечение длительной работы всех элементов камеры сгорания в условиях высоких температур;
- завершение процесса горения в пределах камеры сгорания с формированием равномерного температурного поля на входе в сопловой аппарат турбины.

Применяемые в ГТД камеры сгорания можно разделить на три основных типа:
1. Индивидуальные (выносные) камеры, непосредственно не связанные с двигателем. К этому типу относится камера сгорания газотурбовоза 1101 фирмы Броун-Бовери.
2. Секционные (трубчатые) камеры. К этому типу относятся камеры сгорания газотурбовоза 18100 фирмы Метрополитен-Виккерс и камеры сгорания отечественных газотурбовозов Г1-01 и ГП-01.
3. Кольцевые и трубчато-кольцевые камеры, обеспечивающие наиболее компактную компоновку.

Блок камер сгорания первого отечественного газотурбовоза Г1-01 состоит из шести прямоточных камер, расположенных горизонтально между компрессором и турбиной вокруг вала ГТД. Топливо вводится в камеры сгорания при помощи шести форсунок, последовательно соединенных гибкими дюритовыми шлангами, образующими кольцевые трубопроводы.

Рисунок 2.4.11. Блок камер сгорания газотурбовоза Г1-01: 1 - турбина; 2 - прямоточная камера (секция); 3 - свеча; 4 - двухконтурная центробежная форсунка; 5 - компрессор; 6 - кольцевые трубопроводы

Форсунка ГТД газотурбовоза является центробежной двухконтурной с общим выходным соплом. При малых расходах топлива работает только первый контур, а при возрастании расхода свыше определенного значения подключается второй контур, и подача топлива осуществляется через оба контура одновременно, обеспечивая оптимальное распыление во всем диапазоне нагрузок.

Первоначальное воспламенение распыленного топлива в момент пуска ГТД происходит при помощи искры от свечи. Свечи размещены в трех секциях блока (через одну). Воспламенение топлива в остальных секциях осуществляется посредством перебрасывания пламени через специальные пламяперебрасывающие трубки, соединяющие огневые пространства всех жаровых труб блока. После пуска двигателя, во избежание оплавления электродов, свеча выводится из зоны высоких температур при помощи специального механизма перемещения.

Вспомогательное оборудование газотурбовозов. К вспомогательному оборудованию газотурбовоза относятся топливная система, масляная система и вспомогательный дизель-генератор. Эти системы обеспечивают устойчивую работу двигателя и всех агрегатов локомотива.

Топливная система предназначена для подготовки и подачи топлива с требуемыми параметрами к форсункам камер сгорания. В отличие от тепловозов, на первых газотурбовозах применялось два вида топлива: низкосортное (мазут или дистилляты замедленного коксования) для сжигания в камерах сгорания ГТД, и легкое топливо (дизельное) для запуска ГТД, работы вспомогательного дизеля, а на некоторых газотурбовозах – для работы котла-подогревателя.

Пуск ГТД осуществлялся на легком топливе. При достижении частоты вращения холостого хода происходил автоматический переход на работу с использованием тяжелого топлива. Незадолго до остановки ГТД производился обратный переход на легкое топливо для промывки всей топливной системы от остатков тяжелого топлива и исключения закупорки застывшим топливом. Для обеспечения нормального всасывания и перекачки тяжелое топливо перед заправкой в бак подогревалось до температуры 30-40°С, а топливный бак оборудовался подогревателем и теплоизоляцией.

На газотурбовозе Г1-01 тяжелое топливо подогревалось в трубчатом подогревателе водой от котла-подогревателя. На газотурбовозе ГП1-01 применялся регенеративный теплообменник, использующий теплоту отработавших газов: подогреватель устанавливался в выпускном патрубке турбины. Температура топлива регулировалась автоматической заслонкой, изменяющей количество отработавших газов, проходящих через змеевик подогревателя. Для газотурбовозов, работающих на сжиженном природном газе, применяется система регазификации, использующая теплоту выхлопных газов ГТД.

Масляная система газотурбовоза предназначена для подачи к подшипникам ГТД и главного редуктора масла в количествах, обеспечивающих надежную смазку и необходимый отвод теплоты, выделяющейся при работе сил трения, а также для отвода тепла, передающегося от нагретых корпусов компрессора, турбины и роторов ГТД.

Вспомогательный дизель-генератор обеспечивал работу всех систем при неработающем ГТД, при его пуске, а также для выполнения маневровых операций и подачи газотурбовоза под состав. После запуска ГТД работа всех систем обеспечивалась вспомогательным генератором, приводимым от вала ГТД, и вспомогательный дизель-генератор останавливался. Мощность вспомогательного дизель-генератора определяется потребной мощностью систем газотурбовоза и обычно составляет 300-500 кВт в зависимости от модели и назначения локомотива.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Анисимов П.С., Винокуров В.А., Воробьев В. И., и др.

Источник: Подвижной состав железных дорог

Данные публикации будут полезны студентам железнодорожных специальностей (эксплуатация железных дорог, подвижной состав), начинающим специалистам в области локомотивостроения и эксплуатации тягового подвижного состава, а также всем, кто интересуется устройством, классификацией и современными тенденциями развития железнодорожной техники.