Турбовозы. История, теория, конструкция

Этот уникальный локомотив прослужил тринадцать лет и был разоборудован в 1921 г. Испытания, безусловно, были проведены, но неизвестно, находился ли он в регулярной эксплуатации. Возможно, малое передаточное отношение и, как следствие, низкая эффективность стали причиной неудачи проекта, который был реализован за десять лет до появления следующего итальянского турбинного локомотива. В настоящее время не известно никаких подробностей о работе самого первого турбовоза. Его масса 26 т; длина 7,1 м.

Турбовоз Белуццо-Бреда. В 1931 г. Беллуццо консультировал проектирование турбинного локомотива 1—4—1 постройки компании Ernesto Breda. У него были турбины высокого и низкого давления. Длина локомотива 14,35 м. Никакая другая информация не сохранилась, даже давление в котле. Предполагается, что он был испытан на заводе Breda в Милане, но, по-видимому, Итальянская государственная железная дорога не могла позволить запустить его на главной линии; означает ли это, что у него была очевидная неисправность, которая могла бы задержать движение, и когда случилась поломка, неизвестно.

Турбинный локомотив Беллуццо-Бреда. 1931 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Турбинная установка с редуктором и отбойный вал находятся посредине движущих колёс. То, что выглядит как садовый сарай спереди, является кулером для конденсаторной воды; отверстия в боковой части, предположительно, выходы воздуха. На следующих рисунках показано, что в этих боковых отверстиях установлены вытяжные вентиляторы, хотя на этом изображении они не видны.

Конденсатор был установлен под передней частью котла, а циркулирующая вода охлаждалась в холодильнике, установленном в передней части локомотива. Котёл был обычным, с обычными трубками перегревателя, и тяга создавалась тройной выхлопной трубой. Вентиляторная тяга, используемая во многих других турболокомотивах, была явно исключена, поскольку всегда имелись проблемы, когда лопатки разрушались золой и шлаком, содержащимися в выхлопных газах. В связи с этим возникает вопрос о назначении конденсатора, так как если бы он был предназначен для экономии воды, выпуск пара в выхлопную трубу не был бы полезен. (Возможно, там был клапан, который перекрывал выхлопные трубы, когда выпуск был не нужен). Другим конструктивным решением было оставить конденсатор на локомотиве, а не ставить его в тендер, так как это позволило избежать гибких трубопроводов большого диаметра между локомотивом и тендером для выпуска пара из турбины. На швейцарском турбовозе Цёлли принят похожий подход, но сохранён охладитель воды на тендере. Одной из необычных особенностей этой машины Беллуццо-Бреда было то, что у неё было две трубы; одна над охладителем (на первом фото слева вверху) и ещё одна позади неё над двумя передними осями. Фактически, передняя труба была ещё одним выходом воздуха для охладителя воды и была оснащена вентилятором, приводимым в действие небольшой вспомогательной турбиной. Эта турбина также приводила в движение циркуляционный насос конденсатора.

Передняя часть турбовоза Беллуццо-Бреда. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

A – охлаждённая вода. Похоже, что B является вспомогательной турбиной. C и C' – трубы для охлаждающей воды конденсатора. Устройство, обозначенное буквой F над конденсатором, похоже на нагреватель питательной воды, использующий выхлоп вспомогательной турбины. G – отверстие, которое даёт доступ к дымовой коробке.

Вертикальный разрез котла, дымовой коробки и турбинного редуктора турболокомотива Беллуццо-Бреда. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Пружины составляют две ступени гибкого привода в зацеплении. F – предполагаемый нагреватель питательной воды.

Горизонтальный разрез турбинного локомотива Беллуццо-Бреда. 

С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives». Верхняя половина чертежа представляет собой разрез на уровне промежуточных валов

редуктора, в точке А в вертикальном разрезе, на предыдущем чертеже. Нижняя часть представляет собой сечение на уровне промежуточного вала, на B.

Слева находится турбина высокого давления с восемью клапанами управления форсунками, видимыми в верхней части корпуса.

Четыре вертикальных разреза турбинного локомотива Беллуццо-Бреда. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives». Левая часть левого чертежа – через центр отбойного вала. Правая часть левого чертежа – через середину выхлопной трубы. Левая часть правого чертежа – через центр вала вентилятора. Правая часть правого чертежа – впереди

конденсатора. 

Вертикальный вал A приводит в движение устройство, похожее на центробежный насос B, предположительно, используемый для циркуляции охлаждающей воды конденсатора. С – передняя часть конденсатора. Ещё один вертикальный вал D приводит в движение горизонтальный коленчатый вал в продольном направлении поршневого насоса E, который предположительно является насосом подачи котла. Он способен подавать горячую воду, а инжектор – нет. Н является вспомогательной турбиной, вращающей поперечный вал вентилятора через понижающую зубчатую передачу G.

Вид спереди турбинного локомотива Беллуццо-Бреда. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Хорошо видны вертикальные трубки охладителя воды и очень широкая выхлопная труба. Тормозной насос находится слева.

Джузеппе Беллуццо. 1928 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Джузеппе Беллуццо родился в Вероне в 1876 г. Он преподавал в Милане, а затем в Риме и был автором более пятидесяти технических книг. Его годы преподавания и написания книг, вероятно, вдохновили многих молодых итальянских инженеров и студентов с двойным гражданством Италии. Он принимал участие в установке турбин на итальянских крейсерах и линейных кораблях. Во времена фашизма Беллуццо был избран в парламент и был министром национальной экономики с 1925 по 1928 г. Он утверждал, что заставил поезда работать вовремя… Умер в Риме 21 мая 1952 г.

Турболокомотив государственных железных дорог Италии №685.410. В 1933 г. механические мастерские Миани-Сильвестри-Гродона-Коми во Флоренции переделали для Итальянских государственных железных дорог паровоз серии 685 типа 1—3—1 в турбовоз. Он был построен для обслуживания экспрессов, с турбиной, установленной спереди. Конденсатор не был установлен. Локомотив был испытан на участке между Флоренцией и Пистойей, но, похоже, больше никогда о нём не слышали, что указывает на то, что этот проект тоже был неудачным. Проектная максимальная скорость составляла 130 км/ч, но какая она была в действительности – неизвестно.

Турболокомотив государственных железных дорог Италии №685.410. 1933 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Это единственная известная фотография.

Турбина и отбойный вал этого локомотива находятся спереди. Турбины переднего и заднего хода, построенные на Schwartzkopff, были установлены на одном валу с управлением форсунками группой из четырёх клапанов. В начале испытаний выяснилось, что подшипник турбины заклинило, что привело к серьёзному повреждению лопаток. Турбина не была восстановлена, и испытания были оставлены; это был конец паротурбинных экспериментов в Италии. Масса локомотива 72 т, длина неизвестна, поверхность нагрева 191 м2, давление в котле 12 ат, максимальная частота вращения турбины 7000 об/мин.

Швейцарский локомотив Цёлли. Этот малоизвестный швейцарский локомотив, построенный компанией SLM/Escher-Wyss/Zoelly в 1920 г., был первым серьёзным турбинным проектом. По некоторым причинам он не упоминается в большинстве книг о локомотивах. Это было переоборудование старого локомотива типа 1—3—0 федеральных железных дорог в турбовоз типа 2—3—0. У нового локомотива была шестиступенчатая швейцарская импульсная турбина Цёлли, расположенная поперечно перед дымовой коробкой, отдельная двухступенчатая турбина Кёртиса, используемая для заднего хода. Подача пара контролировалась двумя наборами клапанов. Основная турбина развивала мощность 1200 л.с. и приводила в движение спаренные колёса через двухступенчатую редукторную передачу с отношением 1:28, карданный вал и соединительные тяги. Частота вращения турбины составляла 7500 об/мин при запланированной максимальной скорости 75 км/ч. Феликс Брун говорит, что, кажется, было три разных версии конденсатора. Первым был поверхностный конденсатор под котлом. Он оказался неудовлетворительным, поэтому его заменили два длинных поверхностных конденсатора по бокам, где пар проходил через трубки конденсатора, окружённые водой. Затем они были снова заменены двумя поверхностными конденсаторами, установленными ниже по бокам. Теперь вода проходила через трубопровод конденсатора; это обычная практика в конденсаторах для электростанций и т. д. На тендере сначала был охладитель водяного распыления с естественной тягой, который позже был заменён версией с принудительной тягой с отдельной турбиной для привода вентилятора. Два поверхностных конденсатора были размещены с обеих сторон котла, используя охлаждающую воду из тендера. Эта вода возвращалась в тендер турбонасосами. Котёл обычного локомотивного типа с дымогарными трубами имел рабочее давление 11,5 ат. Конденсационная система естественным образом предотвращает использование обычной выхлопной трубы для тяги котла, и она сначала обеспечивалась с помощью воздуходувки холодного воздуха под решёткой. Эта весьма необычная конструкция позволила избежать условий работы вытяжного вентилятора в нагретом до 300°C отработавшем газе, создававших проблемы во многих последующих конденсационных локомотивах. Но при этом топка находилась под избыточным давлением, и воздуходувку приходилось останавливать каждый раз, когда нужно было забрасывать топливо. Эта чрезвычайно опасная система (можно надеяться, что воздуходувка и топочные дверцы были заблокированы, но история об этом молчит) вскоре была заменена вытяжным вентилятором, установленным на двери дымовой коробки.

Швейцарский турбинный локомотив в процессе постройки. 1919 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Вал турбины с лопаточными дисками видны прямо перед дымовой коробкой.

Турбовоз Цёлли. Первая версия. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Эта довольно загадочная картинка, кажется, показывает локомотив сразу после его завершения. Со стороны котла имеется длинная конструкция, которая, по-видимому, является вторым видом конденсатора, упомянутого выше. Есть три интригующие трубы, ведущие в/из него. Дверца дымовой коробки выглядит так, что из этого следует, что фото сделано до установки вытяжного вентилятора. Большой воздуховод, расположенный чуть ниже, явно представляет собой выхлоп турбины, который разделён на две части и направлен в заднюю часть, хотя куда точно, трудно сказать. Возможно, первый конденсатор всё ещё был установлен под котлом в этот момент. (Из современной энергетики, A Regnauld, опубл. Caxton 1924. Том 1, с. 15).

Оригинальный швейцарский паровоз 1—3—0 выглядел так. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Произошла явно радикальная переделка; похоже, очень мало, что не изменилось.

Первое испытание конденсационной системы. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Первый вариант конденсатора выглядит как цилиндр под вытяжным воздуховодом. Вентилятор турбины ещё не был установлен на дымовую камеру.

Турбовоз Цёлли на виадуке Ауссерсихллер. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Турбовоз следует вторым. Установлен первый вариант конденсатора.

Испытательный пробег, в процессе которого производились измерения. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Здесь установлен второй вариант конденсатора с вытяжным каналом, ведущим непосредственно в конец цилиндрического конденсатора.

Локомотив на поворотном круге в неизвестном месте. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Установлен второй вариант конденсатора.

Швейцарский турбинный локомотив 2—3—0. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Масса составляла 115 т, а конструктивная скорость 75 км/ч. На этом и следующих рисунках показан локомотив с установленным конденсатором третьего типа.

Швейцарский турбинный локомотив 2—3—0 под парами. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Обращает на себя внимание поверхность конденсаторов с каждой стороны котла. Они охлаждались водой из тендера; эта вода сама охлаждалась при тесном контакте с воздухом, поскольку она распылялась из пучка труб в тендере. В этом процессе терялось значительное количество воды, и общее потребление воды было сокращено только примерно до половины потребления обычного локомотива. Перфорированный обтекаемый носик удерживал вытяжной вентилятор с турбинным приводом; наводящая на размышления труба, видимая в этом корпусе, могла быть источником подачи пара для вентилятора, но это предположение.

Швейцарский турбовоз с другой стороны. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives». 

Это, вероятно, одна из официальных фотографий. На ней хорошо виден привод от отбойного вала. Этот передовой локомотив всё ещё имеет масляную лампу спереди. Обращает на себя внимание необычная форма охлаждающего тендера.

Боковой вид швейцарского турбовоза 2—3—0. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Генрих Цёлли. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Генрих Цёлли был мексиканско-швейцарским инженером, который разработал паровые турбины и локомотивы с турбинным приводом. Он родился в Мексике в 1862 г. Его отец, родом из Клеттгау в Швейцарии, эмигрировал в Мексику, чтобы лучше себя чувствовать. Цёлли умер в 1937 г. в Цюрихе.

Немецкий турбовоз Круппа-Цёлли. После многих опытов, обнаруживших ряд недостатков конструкции Цёлли, выполненной заводом Escher Wyss & Сo и заводом в Винтертуре в 1921—1922 гг. в виде переделки швейцарского паровоза 1—3—0 в турбовоз 2—3—0, турбовоз Цёлли был заново построен Круппом в 1924 г. Турбовоз Т18 был развитием швейцарского локомотива Цёлли; существенным отличием было то, что в тендере был размещён большой конденсатор.

Новый локомотив мощностью около 2000 л.с., который положен заводом Krupp в Эссене в основу проекта своего паротурбовоза, являлся первым в Германии и по внешнему виду похож на обычные паровозы, но не имел паровых цилиндров с крейцкопфами. Вместо них имелся шатун, передающий движение первой ведущей оси; остальные движущие оси спарены с первой, как и на паровозах. Перед котлом с правой стороны его установлена турбина для переднего хода, а с левой стороны турбина для заднего хода. Турбина работает экономично только при большой частоте вращения, и передача от турбины к ведущей оси (посредством зубчатых колёс) уменьшает эту частоту.

Отработанный пар из турбины не выпускался через дымовую трубу в атмосферу, как в обычных паровозах, а поступал в конденсатор (левее турбины), где он сгущался в воду. Вода подавалась насосом в котёл, проходя через подогреватель. Таким образом вода совершала полный кругооборот, так что не приходилось наполнять котёл свежей водой; вместе с этим отпадала надобность в трудной и дорогой очистке котла от осадков и котельного камня, и это значительно удлиняло срок службы котла и пробег паротурбовоза между последовательными ремонтами.

Для сгущения пара в конденсаторе необходимо постоянное охлаждение; оно производилось водой, которая при этом сама нагревалась и должна была, в свою очередь, охлаждаться. В тендере невозможно везти такого большого запаса охлаждающей воды, чтобы постоянно снабжать конденсатор свежей водой, охлаждение согревшейся воды производилось на тендере, а именно в коробке под ящиком, наполненным топливом. Охлаждение воды производилось вентилятором, который подавал сильную струю воздуха навстречу потоку воды.

В паровозах с поршневой машиной отработанный пар пускается в дымовую трубу для того, чтобы усилить тягу, необходимую для горения топлива. В турболокомотиве приходится устанавливать для той же цели особый вентилятор, который вытягивает горячие газы и направляет их в дымовую трубу.

Для парового отопления вагонов от турболокомотивов пар берут непосредственно из паровозного котла; это нежелательно, так как нарушает кругооборот воды в локомотиве и заставляет добавлять в котёл свежей воды. Завод Krupp разрешил этот вопрос путём устройства небольшого добавочного котла, вода в котором нагревается паром из большого котла. Этот добавочный котёл имеет вид купола над главным котлом, расположенного вблизи будки машинистa.

Как видим, паротурбовоз требует большего количества добавочных приборов, чем обычный паровоз, а потому управление им несколько сложнее и стоимость его несколько выше; но зато расход топлива оказывается на 20% ниже, чем у паровоза новейшей современной конструкции.

Турбина была расположена впереди котла, чем устранялся гибкий паропровод высокого давления.

Передача от вала турбины осуществлена цилиндрическими зубчатыми колёсами через промежуточную ось на отбойный вал, откуда при помощи шатунного механизма и спарников – движущим колёсам турбовоза.

Схематический чертёж турбовоза Круппа-Цёлли.

Зубчатая передача турбовоза Цёлли.

Конденсатор – водяной, с обратным охлаждением.

Локомотив поставлен в LVA (Локомотиво-испытательный завод) в 1928 г. На нём имелась шестиступенчатая турбина переднего хода, которая развивала 2000 л.с. при 6800 об/мин. У турбины заднего хода было три ступени.

Турбовоз Круппа-Цёлли не развил проектной мощности и дал только 1420 л.с. на крюке вследствие слабого котла и несоответствия его турбине, но с точки зрения теплотехнической он дал исключительно хорошие результаты: при скорости 80 км/ч полный расход пара (с учётом расхода на вспомогательные нужды) 5,21 кг/л.с.ч и угля 0,6 кг/л.с.ч.

Отставлен от службы после бомбардировки в 1940 г.

Турбинный локомотив Круппа-Цёлли T18—1001 с конденсацией пара. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Вид сбоку турбовоза T18—1001 с размерами. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Локомотив T18—1001 в оригинальном обтекаемом кожухе. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Кожух был позже удалён для облегчения обслуживания, что было вполне обычно для обтекаемых локомотивов.

Ещё одна фотография локомотива Т18—1001. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Устройство дымовой коробки локомотива Т18—1001. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

На рисунке показан нагреватель питательной воды, обёрнутый вокруг дымовой коробки, и вытяжной вентилятор, приводимый в действие небольшой паровой турбиной. На самом деле есть две трубы; меньшая сзади, по-видимому, используется в сочетании с паровой воздуходувкой, установленной под нижней юбкой; по-видимому, это давало больше тяги, чем вентилятор, и использовалось, когда поднятие пара имело приоритет над экономией топлива. Эта труба должна быть закрыта во время нормальной работы вентилятора, и, похоже, в ней установлен дроссельный клапан чуть выше уровня котла.

Вид спереди на вытяжной вентилятор турбовоза T18—1001. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Вентилятор и его выходной корпус были смещены относительно центральной линии котла. Вертикальное устройство, установленное на дне дымовой коробки, вероятно, воздуходувка.

Турбовоз Маффея. Заводом Maffei в Германии в 1924 г.10 построен ещё один турбовоз Т18 мощностью 2000 л.с. напоминающий конструкцию Цёлли. Коэффициент полезного действия на пальце отбойного вала – 15,6%, т. е. вдвое выше, чем у нормального паровоза.

Построенный паротурбовоз предназначен для быстрых и тяжёлых поездов. Он развивал скорость до 100 км/ч.

Высокоскоростная турбина помещена впереди.

Самой оригинальной частью паротурбовоза являлся холодильник для воды. Он сделан из двух трубчатых радиаторов, расположенных сбоку на тендере, по которым протекала вода для охлаждения. Часть воды постоянно притекала на наружную трубчатую поверхность в то время, как два вентилятора образуя сильную струю воздуха, вызывали сильное испарение этой воды. При этих условиях теплота уносилась водой в состоянии пара, и расход воды в этом паротурбовозе не отличался от обыкновенного вида машины, работающей без охлаждения пара.

При конструировании ранее построенных турболокомотивов имелось в виду единственно повышение экономичности использования топлива. Новый турболокомотив высокого давления при малых расходах угля давал ещё ряд преимуществ, которые косвенным образом могли содействовать повышению экономичности.

Благодаря практически полному сжиганию топлива в виде угольной пыли, с одной стороны, и благодаря конденсационному устройству с обратным поверхностным холодильником, с другой, можно было совершенно не беспокоиться о дыме, копоти и паре11. Чистота обслуживания, являющаяся существенным достоинством электровозов, в дальнейшем могла быть достигнута и в паровых локомотивах.