Газогенераторные тепловозы, теплопаровозы и паротурбовозы: история создания и технические особенности

Первый опытный газогенераторный тепловоз серии ТЭ1Г мощностью 735 кВт был построен в 1951 г. Его дизель работал на генераторном газе с подачей для воспламенения и повышения теплоты сгорания газовоздушной смеси 15–25 % дизельного топлива (в зависимости от нагрузки), а на холостом ходу – полностью на жидком топливе. Такое техническое решение позволяло существенно экономить дорогостоящее жидкое топливо, замещая его твёрдым – антрацитом. Схема силовой установки газогенераторного тепловоза показана на рис. 2.5.3. При работе двигателя на смешанном топливе воздух из турбокомпрессора (2) разветвлялся на два потока: большая часть (около 75 %) поступала непосредственно в двигатель (1), а меньшая – в газогенератор (3). По пути воздух увлажнялся паром, который вырабатывался в пароводяной рубашке газогенератора. Паровоздушная смесь, проходя через газогенератор, газифицировала твёрдое топливо. Образующийся при этом шлак удалялся из зоны реакции механизированной колосниковой решёткой. Полученный газ последовательно проходил очистку в циклонном пылеочистителе (4), охлаждение в газоохладителе (5), окончательную фильтрацию в масляном пылеотделителе (6) и только затем поступал в цилиндры дизеля.

Рис. 2.5.3. Схема силовой установки газогенераторного тепловоза

Всё оборудование для получения генераторного газа размещалось в специальном тендере, кузов которого был выполнен по типу кузова рефрижераторного вагона. На газогенераторных тепловозах использовался антрацит марки AM фракцией 13–25 мм, что позволяло избежать сложной проблемы очистки газа от смол, неизбежной при применении других видов твёрдого топлива. Средний состав генераторного газа был следующим: 7,26 % CO₂; 26 % CO; 15,32 % H₂; 0,318 % CH₄; 0,43 % O₂; 50,67 % N₂. Низшая теплота сгорания такого газа составляла около 300 кДж/м³, КПД газогенераторной установки достигал 72–75 %, а общий КПД тепловоза – порядка 20 %. Важно отметить, что на смешанном топливе двигатель развивал такую же мощность, как и при работе только на жидком топливе, что подтверждало практическую ценность данной схемы.

На базе более мощного тепловоза ТЭ2 был построен газогенераторный тепловоз серии ТЭ4 мощностью 1470 кВт. Опыт эксплуатации показал высокую эффективность таких машин: среднегодовой расход жидкого топлива у тепловозов серии ТЭ1Г последней партии выпуска составлял всего 27–37 % от расхода топлива серийными тепловозами. Для заправки газогенераторного тепловоза углем использовался специальный бункер. Запас угля в бункере газогенератора на тепловозе серии ТЭ1Г составлял 5 т, а на более мощном тепловозе серии ТЭ4 – 9 т, что обеспечивало безэкипировочный пробег локомотива в 500–600 км. Это делало их вполне конкурентоспособными для своего времени, особенно в регионах с развитой угледобычей.

Теплопаровоз. В нашей стране идея создания теплопаровоза принадлежит Л.М. Майзелю, который предложил использовать одни и те же рабочие цилиндры двигателя для работы паровой машины (в режиме паровоза) и дизеля (в тепловозном режиме). Принципиальным отличием от более ранних разработок была возможность одновременной работы паровой и дизельной частей энергетической установки. В предыдущих гибридных схемах паровая машина использовалась лишь для трогания с места и разгона, а дизель включался в работу только в поездном режиме. Предполагалось, что такое сочетание двух тепловых двигателей позволит не только повысить мощность локомотива за счёт работы дизеля, но и увеличить пробеги между наборами воды благодаря меньшему расходу пара на основных режимах движения. Построенный в 1939 г. пассажирский теплопаровоз с осевой формулой 1-4-1 на испытаниях развивал мощность до 2200 кВт при скорости около 80 км/ч.

Конструктивно этот теплопаровоз имел два рабочих цилиндра, выполненных по типу двухтактного тепловозного дизеля с расходящимися поршнями. Принцип работы был следующим: при скорости движения до 15–25 км/ч во все три полости рабочего цилиндра (по обе стороны каждого поршня и между ними) подавался пар, и установка работала как паровая машина. При увеличении скорости в среднюю полость цилиндра начинало подаваться жидкое топливо, и эта часть установки переходила в режим двигателя внутреннего сгорания (ДВС) , в то время как внешние полости цилиндра продолжали работать как паровые машины. Первый теплопаровоз 8000 находился в опытной эксплуатации с 1941 г., однако отсутствие в то время необходимых средств автоматизации не позволяло обеспечить удовлетворительное согласование режимов работы дизельной и паровой частей установки.

В период 1940–1948 гг. был создан более мощный грузовой теплопаровоз 8001 с осевой формулой 1-5-1. Конструкторы продолжили попытки реализации главной идеи – повышения расчётного КПД локомотива до 14–16 % (против 6–8 % у обычного паровоза) за счёт достижения совместной и согласованной работы обеих частей энергетической установки. В частности, предполагалось использовать возможность работы средней части рабочего цилиндра по парогазовому циклу с дополнительным впуском пара из котла в дизельную полость. Однако и эта работа не была доведена до успешного завершения из-за сложностей регулирования и согласования процессов. В 1939 г. был создан ещё один опытный грузовой теплопаровоз с более сложной четырёхцилиндровой энергетической установкой, но его конструкция оказалась чрезвычайно громоздкой. Дизель на нём был рассчитан на работу без жидкого топлива (на газе), поэтому в состав установки включили газогенератор для газификации каменного угля, который использовался и для топки парового котла. В 1940 г. теплопаровоз ТП1-1 прошёл испытания, но работы по его доводке не были завершены, и дальнейшее развитие этого направления прекратилось по мере расширения постройки тепловозов.

Паротурбовоз. В начале XX века в разных странах мира предпринимались попытки повысить КПД паровоза за счёт применения более эффективного теплового двигателя – паровой турбины. Созданные в то время паротурбовозы не получили широкого распространения из-за конструктивного несовершенства, однако их разработка выявила важную закономерность: необходимость применения промежуточной передачи (по типу тепловозной) в отличие от непосредственной передачи энергии от паровой машины к колёсным парам. Турбины, использующие кинетическую энергию пара или газа, эффективно работают при высоких частотах вращения ротора, поэтому необходимое передаточное отношение между валом турбины и колёсными парами значительно возрастает, что расширяет диапазон регулирования и существенно усложняет конструкцию самой передачи.

Развитие турбостроения в XX веке позволило применить новый тип энергетической установки на железнодорожном транспорте. В 1935 г. в Великобритании были построены два пассажирских паротурбовоза с осевой формулой 2-4-2 мощностью более 2000 кВт, оборудованных электрической передачей и рассчитанных на скорость движения 175–200 км/ч. Рабочее давление пара в их котлах составляло 2,2 МПа, что для паровозов того времени считалось низким. В этот же период в разных странах, включая СССР, разрабатывались проекты паротурбовозов высокого давления (4–14 МПа), которые должны были обеспечить более высокую энергетическую эффективность. Некоторые паротурбовозы, например в США и Великобритании, строились с электрической передачей, что существенно увеличивало их стоимость. В США в 1939–1943 гг. проходил опытную эксплуатацию паротурбовоз с двумя турбогенераторами судового типа общей мощностью 4500 кВт.

В Швеции, Великобритании, Франции и США предпринимались также попытки создания мощных паротурбовозов с более лёгкой и дешёвой механической передачей. Испытания опытных образцов подтвердили их более высокую энергетическую эффективность по сравнению с обычными паровозами. Однако из-за сложности конструкции, больших размеров и высоких эксплуатационных расходов они уступали развивающимся газотурбовозам и тепловозам. Последние опытные паротурбовозы с электрической передачей были построены в США в конце 40-х – начале 50-х годов, но и они оказались неконкурентоспособными по сравнению с тепловозами, которые к тому времени уже демонстрировали лучшую экономичность и надёжность. В нашей стране паротурбовозы не строились, хотя теоретические разработки в этом направлении велись.

Таким образом, история развития нетрадиционных для железнодорожного транспорта силовых установок – газогенераторных, комбинированных (теплопаровозы) и турбинных – показала как их потенциальные преимущества, так и технические сложности реализации. Опыт, накопленный при создании и испытаниях этих машин, впоследствии был использован при доводке более совершенных газотурбовозов и газодизельных локомотивов, а также при разработке современных систем альтернативных видов топлива. Некоторые технические решения, такие как двухтопливные циклы и сложные системы очистки газа, нашли применение в современных энергетических установках, подтверждая ценность инженерного поиска прошлых лет.

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.