Турбовозы. История, теория, конструкция

Турбина Лаваля представляет активную турбину с одной ступенью скорости; осевой удар паровой струи происходит на некоторой части окружности турбинного колеса через одну или несколько уширяющихся лопаток.

Обуславливаемая значительной скоростью пара большая частота вращения приводится до надлежащей величины при помощи зубчатой передачи, состоящей из широких зубчатых колёс малого шага с угловыми зубьями.

Турбинное колесо из никелевой стали имеет форму диска равного сопротивления; в ободе диска вырезаны гнёзда, в которые вставляются цилиндрические утолщения лопаток; последние на свободном своём конце имеют выступы, образующее сомкнутое кольцо для уменьшения сопротивления движению. Рабочий вал часто привинчивается с обеих сторон диска для избежания в нём центрального отверстия, значительно уменьшающего прочность диска. Подшипники находятся на большом расстоянии друг от друга. Это сделано для того, чтобы вал при надлежащем своём изгибе вместе с колесом мог принять положение свободной оси, когда критическая скорость будет превзойдена. Зубчатая передача, окружённая масляной ванной, изготавливается из тягучей стали. Имеются два передаточных вала, каждый на 1/2 полной мощности турбины; этим избегается односторонняя нагрузка малого колеса. Центральным смазочным аппаратом достигается незначительный расход масла.

Устройство турбины Лаваля немецкого завода Humboldt в Кальке у г. Кёльн.

В левом верхнем углу показаны гнёзда со вставленными цилиндрическими утолщениями лопаток.

Регулирование достигается при помощи чрезвычайно чувствительного центробежного регулятора, насаженного на передаточном валу и действующего непосредственно на паровпускной вентиль турбины. У турбин с охлаждением пара регулятор действует одновременно на клапан, служащий для уменьшения вакуума при работе турбины вхолостую или под слабой нагрузкой, ибо, в противном случае, происходит значительное увеличение частоты вращения (при больших центральных конденсациях ставится особый регулирующий вентиль). При снабжении турбины несколькими паровыми наконечниками, в зависимости от нагрузки турбины, некоторые наконечники могут быть выключаемы от руки; при малых нагрузках тогда нет необходимости сминать пар перед его входом в турбину.

Турбина Парсонса – реактивная турбина, представляющая полную осевую турбину с большим числом ступеней давления.

Турбина Парсонса.

С левой стороны вверху установлены уравновешивающие поршни.

Лопатки турбинного колеса изготавливаются из бронзы, вставляются при помощи зачеканенных прокладок в особые канавки, выточенные на поверхности стального цилиндрического барабана и иногда ещё скрепляются на концах спаянным кольцом, вставляемым в вырезки лопаток. Направляющие лопатки вставлены на внутренней поверхности барабана, образующего как бы кожух турбинного цилиндра. В виду необходимости, по мере увеличения объёма пара при его расширении, увеличивать и сечения для его прохода, длина лопаток и диаметр барабана изменяются; диаметры барабана, в виду простоты изготовления, изменяются ступенями. Большое число ступеней и обуславливаемое этим различное давление с обеих сторон направляющего и турбинного колёс, вызывает необходимость по возможности уменьшать разность давлений и делать зазоры (щели) малыми; этим уменьшаются потери в зазорах. Барабан разрезан пополам в горизонтальной плоскости и поверхности разреза пришлифованы. Для уравновешивания осевого давления на турбинное колесо устанавливаются уравновешивающие поршни количеством соответственно числу ступеней и диаметры которых соответствуют диаметрам турбинных колёс. Уравновешивающие поршни подвержены давлению пара и снабжены лабиринтной набивкой (кроме того для точной установки применяется гребенчатый подшипник).

Подшипники, устанавливаемые снаружи барабана и непосредственно связанные с последним в мощных турбинах, устанавливаются по типу подшипников Селлерса. В подшипниках смазка циркулирует при помощи насоса.

Регулирование хода достигается тем, что пар подводится в турбине не непрерывно, а через более или менее длинные промежутки времени; этим избегается сминание пара при его прохождении через паровпускной клапан и турбинное колесо всегда подвергается полному давлению пара. Уравновешенный регулирующий паровпускной в турбину вентиль запирается давлением пружины и приподнимается от давления пара на расположенный над вентилем поршень; ход последнего регулируется от уравновешенного цилиндрического золотника, приводимого в движение от регулирующего прибора. При достижении требуемой частоты вращения паровпускной клапан закрывается особым регулятором. В случае перегрузки свежий пар может быть подведён в дальнейшие ступени при помощи особого ручного клапана.

Турбина Цёлли представляет активную турбину с относительно малым числом ступеней давления. Действие пара осевое при помощи направляющих колёс, – причём турбина для ступеней высокого давления – парциальная, а для ступеней низкого давления – полная.

Ступени высокого и низкого давления располагаются в общем барабане, разделённом горизонтальной плоскостью. Плотность вала достигается при помощи металлической набивки Швабе.

Подшипники неподвижны на одной общей основной плите; их положение не зависит от степени расширения барабана; смазка при помощи масла, подаваемого насосами. Для гарантии неизменяемости положения вала, на одном его конце устанавливается гребенчатый подшипник.

Турбина Цёлли.

В особо обточенном ободе, при помощи прикреплённого к нему зажимного кольца, получается непрерывная канавка, в которую вставляются с промежуточными прокладками относительно длинные лопатки из никелевой стали; сечение лопаток кнаружи уменьшается (форма равного сопротивления), так что, несмотря на высокую скорость вращения, напряжение в лопатках малое.

Лопатки турбины Цёлли.

Каждое направляющее колесо состоит из горизонтально разрезанного по диаметру и плотно вставленного в кожух кольца b литого стального диска с, также горизонтально разрезанного по диаметру; ступица диска с надета на ступицу турбинного колеса и имеет на внутренней поверхности выточенные лабиринтные кольца. Направляющие лопатки а, прессованные из листов никелевой стали, своими выступами d вставляются в соответствующие вырезы е направляющего колеса, где укрепляются при помощи привинченных колец f.

Регулировка производится дроссельным клапаном, который устанавливается поршнем при помощи давления масла в цилиндре. Распределительный золотник этого цилиндра переставляется от регулятора и снова приводится поршнем в среднее положение при соответствующем положении дроссельного клапана, в зависимости от положения регулятора. При помощи особого парового клапана можно, как и в турбине Парсонса, достичь перегрузки турбины на 20%. Для устранения возможности внезапного быстрого увеличения частоты вращения сверх наибольшего допускаемого значения имеется особый быстро запирающий клапан, который в этом случае приводится в действие особым предохранительным регулятором, прекращая доступ пара к турбине.

Выгоды турбин этого типа состоят в том, что они допускают небольшое число ступеней расширения благодаря хорошей конструкции турбинных колёс при незначительном напряжении частей; в экономном расходовании пара, также и при малых нагрузках; в возможности допущения у активных турбин больших зазоров (щелей) без потерь пара на пропускание; в избежании уравновешивающих поршней, в устранении опасности от удара лопаток при внезапном изменении перегрева пара и более быстром нагревании колёс перед пуском в ход.

Турбина Рато отличается от турбины Цёлли, кроме деталей, главным образом, большим числом ступеней в зависимости от конструкции турбинного колеса; действие пара такое же, как и в турбине Цёлли.

Турбинные колёса штампованы из сплошных стальных дисков с отогнутыми бортами; к центру диска приклёпывается ступица, а к окружности приклёпываются изогнутые по цилиндру лопатки из бронзовых или стальных листов; к лопаткам снаружи приклёпано кольцо. Конструкция очень легка.

Направляющие колёса, состоящие из двух частей, чугунные или стальные, вставляются плотно в разрезанный горизонтальной плоскостью на две половины барабан и плотно надеты с незначительной игрой на ступицу турбинного колеса. Диски направляющих колёс покрыты с обеих сторон металлическими листами, в промежутке между которыми у обода колеса вставляются направляющие лопатки и удерживаются снаружи особым кольцом. Полное действие пара со стороны ступеней низкого давления, а парциальное – со стороны высокого давления. Вал проходит сквозь барабан через посредство металлических сальников с особыми паровыми камерами, в которых автоматически поддерживается определённое давление пара. У мощных турбин часто ставятся три подшипника (особые барабаны для высокого и низкого давления). Подшипники с кольцевой смазкой и охлаждением водой.

Турбина Кёртиса – тип, из которого вытекает выгода применения смешанных систем, особенно по отношению к расходу пара. Рабочим колёсам высокого давления придаётся скорость на окружности до 180 м/с. Рабочий пар выходит из круглых наконечников (система Ридлер – Штумпф), выходное отверстие которых прессовано в четырёхугольную призму; две ступени скорости или вторая ступень давления с двумя ступенями скорости или несколько ступеней давления (без ступеней скорости) со стороны низкого давления.

Регулирование турбин при помощи дроссельных регуляторов и ручных вентилей у наконечников. Последние могут комбинироваться в группы. Допускают наибольшие температуры перегрева пара.

Турбина Кёртиса с двумя ступенями скорости.

Турбина Кёртиса со ступенью скорости и ступенями давления.

Мощная турбина системы Мельмс и Пфеннингер со многими ступенями давления и парциальным действием со стороны высокого давления.

Внизу показаны лопатки турбины.

Турбина Зульцера.

В паровой турбине системы Мельмс и Пфеннингер часть для высокого давления представляет парциальную активную турбину; части для среднего и низкого давления представляют полную реактивную турбину; обе части соединены при помощи вращающегося барабана; уравновешивание реактивной части турбины имеет место у перехода активной турбины в реактивную, из-за чего уравновешивающие поршни являются излишними.

Барабан вполне симметричен и свободен на одном конце. Главный запорный паровой вентиль расположен под барабаном и при помощи паровых труб соединяется с двумя вентилями, расположенными вверху.

Лопатки (никелевая сталь) изготавливаются из прокатных и протянутых полос, разрезанных на отрезки требуемой длины; они вставляются в гнёзда особого основного кольца и на наружных концах удерживаются приклёпанным кольцом, которое для этой цели специально профилировано в форме двух рёбер, образуя отдельные группы в виде сегментов; сегменты вставляются в выточенные канавки барабана, где удерживаются кольцом.

Регулированиe производится при помощи плоского осевого регулятора, который изменяет эксцентриситет эксцентрика, действующего на колебания двухседалищного клапана.

Паровая турбина Зульцера – активная парциальная турбина на стороне высокого давления и полная реактивная турбина на другой стороне, низкого давления. У первой прямоугольные наконечники, расположенные вплотную друг возле друга. Наконечники управляются от одного регулирующего двухседалищного дроссельного клапана, соединённого с регулятором. Осевое давление со стороны реактивной турбины воспринимается уравновешивающим диском под давлением масла; для этой цели установлен особый насос.

Набивка сальников достигается при помощи большого числа пружинящих и плотно прилегающих к валу дисков кольцеобразной формы. Подшипники покоятся на шаровых поверхностях и могут быть устанавливаемы по высоте. Турбина может быть пущена в ход лишь тогда, когда прибор для нагнетания смазки будет в действии.

Зубчатая передача. Передача состоит из реверс-редуктора и, в ряде конструкций, валопроводов и силовой передачи тележек. В некоторых выполненных конструкциях паротурбовозов валопроводы и силовые передачи тележек отсутствуют, как и сами тележки. Вращающий момент на движущие колёса передаётся в этом случае шестернями или посредством отбойного вала.

Устройство одноступенчатой зубчатой передачи.

В крышке расположены корпуса 15 подшипников шестерён; каждая шестерня 13 имеет свою крышку; носовой конец вала колеса и задние концы шестерён также закрыты торцевыми крышками. Нижняя часть колеса закрыта сварным стальным поддоном 21, прикреплённым к корпусу. Большое зубчатое колесо передачи сборной конструкции. Вал 1 (6 – рёбра, 10 – отверстие) колеса, лежащий в опорных подшипниках 8, – пустотелый с кольцевыми выступами на утолщённой части. К выступам при помощи болтов крепят диски 5, имеющие три – четыре симметрично расположенных круглых выреза для облегчения и удобства сборки колеса. К дискам при помощи болтов крепят ободы 3, на наружной поверхности которых нарезаны зубья. Для обеспечения необходимой прочности и жёсткости колеса ободы скреплены вставным литым барабаном 4. На заднем конце вала колеса имеются откованные заодно с ним фланец 11, предназначенный для соединения вала колеса с валопроводом, и упорный гребень 12, располагающийся в главном упорном подшипнике. Два основных опорных подшипника 8 и третий вспомогательный опорный подшипник 9, расположенный за упорным подшипником, воспринимают вес зубчатого колеса и радиальные усилия, возникающие при работе турбозубчатого агрегата. Опорные подшипники имеют вкладыши 7, изготовленные из двух половин и залитые по рабочей поверхности баббитом. Масло к подшипникам вала колеса подводится через кольцевые каналы 2, а затем по специальным трубкам, вставленным в отверстия 19, подаётся к подшипникам 15 валов шестерён. Зубья колеса осматривают через окна 17, а зубья шестерён – через окно 14 и отверстия крышки 16. Отверстия 18 позволяют наблюдать за подачей масла. В современных зубчатых передачах как корпуса, так и большие зубчатые колёса имеют, как правило, сварную конструкцию.

Турбозубчатый агрегат.

Паровая турбина, соединённая с зубчатым редуктором, используется в качестве главного двигателя, а также как привод насосов и других механизмов большой мощности. Турбины, как правило, выполняются по многоступенчатой схеме. В таком случае различают турбину высокого давления и турбину низкого давления. В общем случае турбозубчатый агрегат работает следующим образом: пар поступает на управляющие клапаны 7 и 8, которые регулируют мощность турбины высокого 1 и низкого 2 давления. Так как частота вращения турбин очень велика, они соединены с ведущими колёсами через редуктор 4, который понижает частоту вращения и одновременно увеличивает вращающий момент на валу 6; 3 – кожух турбины; 5 – опора вала.

Реверс-редуктор предназначен для передачи мощности от вала тяговой турбины к ведущим осям и для изменения направления движения локомотива при неизменном направлении вращения турбины. Условия работы редуктора с турбинным приводом на локомотиве отличаются от условий работы на других транспортных установках большой мощности. Специфично сочетание максимальных нагрузок при трогании и во время разгона состава с работой со значительными окружными скоростями (до 100 м/с) в зацеплении зубчатых колёс при больших скоростях движения.

В процессе выбора схемы реверс-редуктора необходимо обеспечить работоспособность зубчатой передачи и подшипников, надёжность и простоту реверса, технологичность, минимальные габаритные размеры, минимальную массу и др. Из многообразия возможных схем силовой передачи реверс-редуктора можно выделить два принципиальных направления: схемы, в которых каждое зубчатое колесо передает полную мощность (однопоточные), и схемы с симметричным разделением потока мощности в первой, имеющей наибольшую частоту вращения, ступени (двухпоточные). Достоинством однопоточных схем является их сравнительная простота, малые габаритные размеры и высокий к.п.д. Однако в них трудно решается вопрос обеспечения нормальных условий работы подшипников ведущего вала редуктора, в которых при трогании может иметь место сухое или полужидкостное трение, что недопустимо.

Двухпоточные схемы, при которых редуктор выполняют двухступенчатым, несколько сложнее, имеют большее количество зацеплений, большие габаритные размеры и массу. Однако они обеспечивают почти полную разгрузку подшипников ведущего вала и некоторое снижение окружных скоростей в зацеплении за счёт уменьшения размеров ведущей шестерни. Для турбовозов разработано несколько вариантов реверс-редуктора по различным схемам.

По одному из вариантов реверс-редуктор выполнен по простейшей однопоточной схеме с реверсом, расположенным на выходном валу. Корпус редуктора – составной, из трёх частей, с двумя вертикальными разъёмами. В нижней части к корпусу прикреплён поддон, являющийся масляным резервуаром систем смазки редуктора, турбины и вспомогательных агрегатов.

Главная передача реверс-редуктора состоит из шести шевронных зубчатых колёс, оси которых совпадают с плоскостями разъёма корпуса. Ведущий вал и валы реверса опираются на подшипники скольжения, промежуточный вал – на подшипники качения. Посредством торсионного вала ведущий вал связан с тяговой турбиной. С другой стороны к нему при помощи обгонной муфты подсоединено валоповоротное устройство, служащее для проворачивания ротора тяговой турбины после её останова. Для останова тяговой турбины в процессе реверсирования предусмотрено тормозное устройство, соединённое с промежуточным валом редуктора.

Муфта реверса имеет три фиксированных положения: «Ход вперёд», «Нейтраль» и «Ход назад». Работа механизма реверса осуществляется следующим образом. При пуске турбины и на стоянках локомотива муфта реверса всегда находится в положении «Нейтраль», разобщая двигатель и колёса локомотива. Турбина и соединённые с ней постоянно зубчатые колёса главной передачи редуктора могут свободно вращаться, обеспечивая тем самым равномерный прогрев ротора турбины.

Перед началом движения локомотива рукоятку реверса на пульте машиниста устанавливают в положение «Вперёд» или «Назад». При этом кратковременно снижают до минимума крутящий момент на валу тяговой турбины и впускают воздух в пневмокамеры тормозного устройства, в результате чего турбина останавливается. После полной остановки турбины тормозное устройство отключают и через специальное блокировочное устройство подают сжатый воздух в цилиндр реверса, от которого через рычажную передачу муфта реверса перемещается в рабочее положение.

Возможность проворота ротора турбины создает условия, способствующие безусловному включению муфты. Во включённом положении муфта реверса автоматически фиксируется стопорным устройством. Рукоятку реверсора в положение «Нейтраль» переводят при полностью остановленном локомотиве в той же последовательности, что была описана выше.

В тележечных локомотивах выходной вал реверс-редуктора с тележками локомотива соединяет валопровод, который благодаря центральному расположению редуктора в кузове выполнен симметричным, что предпочтительнее с точки зрения уменьшения автоколебаний, возникающих в трансмиссии при боксовании. При выборе типа валопровода необходимо учитывать наличие значительного переменного прогиба рамы локомотива по мере расходования топлива из бака. Разработано несколько вариантов валопровода. В одном из них валопровод представляет собой два полых вала, установленных на подшипниках качения в опорах, закреплённых на раме. Со стороны карданных валов опоры имеют подшипники, служащие для восприятия осевых сил. Соединение валов с выходным валом реверс-редуктора осуществлено зубчатыми муфтами.

Силовая передача тележек принята аналогичной установленной на тележечных локомотивах. Возможность её применения обусловлена тем, что при выборе передачи определяющим с точки зрения прочности является крутящий момент при трогании локомотива с места.

Тендер. Тендер большинства конструкций паротурбовозов с конденсацией пара схож с тендер-конденсатором конденсационных паровозов. Однако, существуют паровозы, в которых пар, отработав в машине, утилизируется в турбине низкого давления.

Турботендер Южно-Американских железных дорог. Чертёж из «Альбома схем паровозов и паспортов».

Турбина может находиться на самом локомотиве, а может размещаться на тендере в качестве бустерного двигателя, служащего для привода движущих осей тендера.

Помимо паровой турбины низкого давления на таком тендере обычно размещается оборудование для конденсации пара.

Тендер получается сложным, требует специального обслуживания, однако при этом локомотив получает дополнительную мощность для тяги.

В качестве примера на приводимой иллюстрации показан турбинный тендер Южно-Американских железных дорог.

2.3. Европейские паротурбовозы

Четырёхтурбинный локомотив Беллуццо. 1907 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

В задней части котла находится огромный паровой купол. Было ли это необходимо из-за установки турбины, неизвестно; ни у одного другого турбовоза не было ничего подобного. Поскольку кожухи турбины смещены относительно осей, явно присутствовал редуктор. Это важно, поскольку турбины вращаются намного быстрее, чем колёса локомотива. Фактически использовался одноступенчатый редуктор с передаточным отношением 8:1 снаружи колёс. Все последующие турбинные локомотивы использовали две или три ступени редуктора.

Первый турбинный локомотив Белуццо. Первым турбовозом был небольшой экспериментальный локомотив 0—1—1—0, разработанный профессором Джузеппе Беллуццо в Италии в 1907—1908 гг. Акционерным обществом механических мастерских в Милане был переоборудован старый маневровый паровоз 0—3—0, построенный в 1876 г.: снята одна ось и установлено четыре турбины, по две с каждой стороны. Пар проходил через все четыре турбины по очереди, а после выбрасывался в трубу. Сначала пар направлялся к передней правой турбине, а затем к правой задней турбине через гибкую трубу, видимую на рисунке. Отработавший пар направлялся к задней левой турбине, затем вперед к передней левой турбине и, наконец, выходил в дымоход через обычную выхлопную трубу. Говорят, что турбины приводили четыре колеса в движение независимо, поэтому предположительно колёса не были прикреплены к осям обычным способом. Поверхность испарения 30 м2 и давление в котле 9,5—10 ат были сохранены.

Вид сбоку турбовоза Беллуццо 1907 г. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Этот чертёж подтверждает, что была только одна ступень зацепления, снаружи колёс. Максимальная частота вращения турбины составляла 2400 об/мин, что кажется довольно низкой, вероятно, вследствие низкого передаточного отношения. Т обозначает фактические корпуса турбин.

Разрез по турбине турбовоза Беллуццо. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Вращающиеся лопатки показаны розовым цветом, неподвижные лопатки – голубым. При работе в прямом направлении пар подавался по воздуховоду a и выпускался через b. Обратный режим был получен путём подачи пара назад через турбину, подаваемую по воздуховоду с и выходящую через d. Турбины обычно считаются однонаправленными, и не приходит на память никакая другая попытка использовать этот метод для реверса. Лопатки имели участок изменённого профиля на конце наконечника, который использовался для реверса.