Турбовозы. История, теория, конструкция

Большей частью конструкторы решались на турбину обратного хода, которая, будучи помещена на одном валу с турбиной переднего хода при работе последней, вращается в вакууме. Только Юнгстрем в своих постройках использовал переключение зубчатых колёс, которое при постоянном направлении вращения главной турбины позволяло изменять направление вращения отбойного вала.

Отвод тепла пара в окружающую среду в турболокомотиве является самой серьёзной проблемой, ибо в локомотиве, находящимся в движении, в качестве охлаждающей среды, в неограниченном количестве, имеется только воздух. Однако воздух против воды невыгоден не только из-за своей малой удельной теплоты и следовательно плохой теплопередачи, но кроме того и тем, что его начальная температура подвержена сильным колебаниям.

Воздушный поверхностный конденсатор, который выбрал Юнгстрем, сравнительно с водяным поверхностным конденсатором требует повышенной мощности и большей величины охлаждающей поверхности, причём вакуум в значительной мере зависит от наружной температуры4.

Очень часто употребляемая форма теплообмена от пара к воде в нормальных поверхностных конденсаторах, с последующим повторным охлаждением охлаждающей воды в оросительном холодильнике, имеет то преимущество, что при небольшой затрате энергии уменьшается зависимость вакуума от внешней температуры и кроме того обеспечивается надёжная плотность конденсатора.

Недостатком такого устройства является расход охлаждающей воды, почему набор воды, необходимый при локомотивах повышенной мощности, сохраняется и при турболокомотивах5.

Третьей формой обмена тепла является испарительный конденсатор (оросительный поверхностный воздушный конденсатор), который особо предпочитался конструкторами; при этом турбина мятого пара или низкого давления должна быть, как указывал К. Имфельд в статье «Турбина на локомотиве», помещена вместе с конденсатором на одном экипаже (раме)6.

Опыта над оросительными холодильниками, оросительными конденсаторами большой мощности с искусственным дутьём до постройки первых турболокомотивов не существовало: кроме того эта область доступна только приближённым методам расчёта, поэтому действительная форма охлаждения должна была быть найдена путём очень обстоятельных и длительных опытов. Большей частью имеющиеся холодильники при тщательных лабораторных испытаниях давали в эксплуатации не совсем удовлетворительные результаты из-за загрязнения сажей и маслом. Поэтому была необходима длительная езда и много работы в эксплуатационных условиях, чтобы достигнуть желаемой высоты охлаждающей зоны и следовательно желаемого вакуума.

Фирма I. A. Maffei в Мюнхене построила турболокомотив типа 2—3—1, который испытывался подробными пробными поездками в регулярной службе при районном управлении баварских государственных ж. д. Стремления получить высокий термический коэффициент полезного действия путём повышения начального давления пара, являющегося в настоящее время наиболее радикальным средством, нашли реальное применение благодаря инициативе авторитетных лиц германских государственных железных дорог и паровозостроительной промышленности.

После предварительных подробных изысканий германскими государственными ж. д. был дан заказ на ряд опытных локомотивов с котлами высокого давления, частью с поршневыми машинами, частью с турбинными.

Поэтому у фирмы I. A. Maffei находился в постройке локомотив с котлом Бензона и турбинным двигателем.

Котёл Бензона (патент Siemens-Schuckert) был выбран из имевшихся чрезвычайно многочисленных предложений котлов высокого и повышенного давления, как наиболее пригодный дли целей железнодорожной эксплуатации.

При предлагаемом Бензоном процессе вода в критическом состоянии превращается в пар, который затем уже дросселируется до рабочего давления. В этом случае при парообразовании вода превращается из жидкого состояния в парообразное без образования паровых пузырей, благодаря чему вызываемые ими нежелательные явления, как например ухудшение теплопередачи, возможность появления перегрева стенок и в силу этого ухудшение прочности материала, устраняются.

Паросборник, который при высоком давлении имеет большую толщину стенок и из-за этого бывает чрезвычайно тяжёлым, при котле Бензона не нужен, причём отсутствуют также многочисленные соединения паросборника с трубами испарителя и вследствие этого опасности появлений расстройств соединений уменьшаются.

Вследствие простоты постройки системы из непрерывного трубопровода при соответственно небольшом числе уплотнений, она особенно хороша в локомотиве, который постоянно в той или иной мере подвержен упругим деформациям7.

В котле с малой аккумулирующей способностью и соответственно с большей гибкостью режима работы в эксплуатации возможно наиболее радикальное сохранение экономичности путём достаточно эластичного отопления котла, позволяющего поддерживать всегда необходимый расход пара.

Надо приветствовать то, что железные дороги решились применить на опытных локомотивах, в том числе и на турболокомотиве высокого давления I. A. Maffei, в высокой степени надёжное в работе и рациональное отопление угольной пылью.

Приспособляемость режима работы котла к реализуемым мощностям в железнодорожной эксплуатации значительно проще, чем в стационарных установках, так как изменение режима работы локомотива при данном весе поезда, профиле пути и расписании всегда известно машинисту заранее. Поэтому не было необходимости усложнять конструкцию котла автоматическими регулирующими приспособлениями, а вполне возможно применять ручное регулирование отопления и насоса высокого давления. Неожиданное изменение нагрузки выравнивалось паровым аккумулятором среднего давления.

Круговой процесс всей силовой установки выглядел следующим образом: конденсат, значительно подогретый сначала в подогревателе мятого пара, а затем в вышеупомянутом аккумуляторе продуктами горения, подавался насосом высокого давления примерно при 250 ат в подогреватель высокого давления. Подогреватель, состоящий из пяти параллельно включённых трубчатых батарей, испытывает в топочном пространстве прямую отдачу топки. Перепускной клапан в конце подогревателя поддерживает давление по крайней мере до величины критического давления, причём температура пара лежит выше критической температуры, так что при последующем дросселировании на рабочее давление пар в насыщенное состояние не переходит. В последовательно включённом перегревателе (трубчато-решётчатом) температура пара повышалась до 400°С и пар поступал в колесо Кёртиса турбины высокого давления.

Второй перегреватель повышал температуру пара, которая после колеса Кёртиса близка к температуре насыщения, опять до 400°С. Последующая работа пара происходила, во-первых, во второй части турбины высокого давления, а во-вторых, в турбине низкого давления.

Пар для турбин, приводящих в движение насос высокого давления, вытяжной вентилятор, механизмы холодильника, ответвлялся от главного парового потока между турбинами высокого и низкого давления; остальные вспомогательные механизмы (пароструйный эжектор, тормозной насос и т. д.) работали паром аккумулятора.

Аккмулятор включён параллельно турбине высокого давления. При неожиданном уменьшения нагрузки он забирал пар, полученный в котле Бензона до достижения равновесного теплового состояния.

При внезапной нагрузке в период пуска в ход котла высокого давления турбина низкого давления работала паром аккумулятора.

Обе главные турбины расположены поперёк продольной оси экипажа, над передней, бегунковой тележкой.

Передача мощности на движущие колеса осуществлена через двойную зубчатую передачу, отбойный вал и ведущие дышла (спарники).

Для получения высокого коэффициента полезного действия турбины, вместо устройства отдельной турбины заднего хода, сконструировано переключение зубчатой передачи.

Для осуществления конденсации предусмотрен поверхностный конденсатор, охлаждаемый водой, помещённый на раме локомотива, и обратный холодильник на тендере.

Обратный холодильник применён однако не оросительный, а поверхностный, т. е. нагретая в конденсаторе охлаждающая вода охлаждалась воздухом в поверхностном холодильнике. Это мероприятие хотя и вызывает опасения в смысле понижения экономичности (так как расход энергии на обратное охлаждение здесь может возрасти), но зато, с другой стороны, имеет ряд значительных преимуществ. При поршневом локомотиве и при турболокомотиве с обратным оросительным холодильником время следования поезда, вследствие расхода питательной, вернее охлаждающей, воды ограничивается несколькими часами.

При турболокомотиве с обратным поверхностным холодильником, при котором охлаждающая и питательная вода расходуется только на пополнение утечек (зимой появляется расход на отопление), время следования поезда является исключительно функцией запаса топлива. При соответственно большом запасе топлива на тендере возможна безостановочная езда в течение 6—8 часов. К. Имфельд в своей статье отмечает, что отопление угольной пылью, при которой никакого шлакования на колосниковой решётке не появляется, особенно пригодно для такой езды8.

В обратном поверхностном холодильнике обращается всегда одна и та же вода. Очищенная при первом пополнении она не загрязняет стенок конденсатора и обратного холодильника; кроме того при наличии случайных неплотностей в конденсаторе в циркуляцию котла Бензона поступает совершенно чистая вода.

Против воздушного поверхностного конденсатора поверхностный воздушный обратный холодильник имеет то существенное преимущество, что он нечувствителен к неплотностям.

Труднее обстоял вопрос с котлом и пароперегревателем. Для высоких перегревов до 400°С перегреватель в дымовой коробке недостаточен. Это обстоятельство и далее невозможность увеличить давление пара в огнетрубных котлах выше 20 ат заставляло искать для турбовоза другие типы котлов. Из них могла идти речь только о водотрубных, ибо они позволяют поместить перегреватель вместе с высокой температурой газов и образовать достаточно большое топочное пространство для сжигания пылевидного топлива, т. е. вообще использовать низкосортное топливо. Необходимым условием постановки водотрубного котла на ограниченном пространстве локомотива является питание его совершенно чистой водой, что, в свою очередь, требует применения поверхностного конденсатора. Целый ряд вспомогательных механизмов, как дымосос, вентилятор охлаждающего воздуха, питательные насосы и пр. дают отработанный пар, который, например, Юнгстрем, использует для подогрева питательной воды до 100°С. Отходящие газы он использует для подогрева воздуха, поступающего в топку.

Таким образом развитие паровоза привело к довольно сложной установке. К.п.д. установки при этом должен был повыситься в два раза по сравнению с существовашим, т. е. до 15%.

Давать окончательные суждения о перспективах дальнейшего развития турболокомотивов тогда ещё не представлялось возможным. Уже построенные или находившиеся ещё в постройке локомотивы являлись опытными локомотивами, которые должны были сначала на длительной работе в нормальной эксплуатации доказать свою пригодность и экономическое превосходство.

Резюмируя все сказанное, следует признать, что западноевропейская локомотивная техника к 1930-м гг. подошла вплотную к разрешению проблемы экономичного локомотива. Ряд преимуществ турбинных локомотивов – отсутствие расходов воды, лёгкое компаундирование, использование сцепного веса тендера – позволяли думать, что в некоторых условиях (в безводных местностях) турболокомотивы должны быть вне конкуренции.

Тем не менее, несмотря на казалось бы очевидные преимущества в виде высокого к.п.д., экономичности и возможности использования дешёвого низкосортного топлива, локомотивы с паровыми турбинами не получили сколько-нибудь заметного распространения на сети железных дорог мира, хотя имелось несколько порой относительно успешных попыток их постройки, предпринятых конструкторами различных стран (ранние попытки относятся к началу XX века, последние – к середине 1950-х гг.).

Первый танк-турбовоз с зубчатой передачей типа 0—2—0 был построен в 1908 г. в Италии по проекту профессора Беллуццо. Турбовоз предназначался для маневровой работы. Он не имел конденсации и потому по своей экономичности мало отличался от паровозов. При постройке этого локомотива не были учтены особенности основных характеристик турбины, в силу которых она потребляет чрезмерное количество пара при низкой частоте вращения, иначе говоря при трогании с места и разгоне. После эксплуатации в течение нескольких лет турбовоз был разобран.

В 1909 г. для Северо-Британской ж. д. был построен первый турбовоз с конденсацией пара по проекту инженера Рейда.

Затем вследствие первой мировой войны постройка турбовозов прекратилась и только в 1920 г. фирмой Escher-Wyss в Винтертуре был построен турбовоз, носящий название «Zoelly» или «Швейцарский».

В течение последующих 10 лет до 1930 г. было в разных странах построено ещё около 20 турбовозов разных систем. Большой вклад в область турбовозостроения внесли братья Юнгстрем, по проекту которых построены: первый турбовоз в 1921 г. в Стокгольме (Швеция), типа 2—3—1 с конденсацией пара и зубчатой передачей, мощность его 2000 л.с. и конструкционная скорость 130 км/ч; затем в 1923 г. два турбовоза на заводе NOHAB (Nydqvist & Holm AB) в Швеции (один для Шведских железных дорог и второй для узкой метровой колеи Аргентинских железных дорог, оба мощностью по 1750 л.с.) и в 1925 г. курьерский турбовоз на заводе Beyer-Peacock в Манчестере (Англия) – мощностью 2000 л.с. Наконец, в 1927 г. завод NOHAB построил ещё один турбовоз для Шведских железных дорог мощностью 2000 л.с.

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 Мюнхене9.

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 м3 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 бóльшая 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