Турбовозы
История, теория, конструкция
Евгений Лосев

Фото на обложке https://www.yaplakal.com

© Евгений Лосев, 2021

ISBN 978-5-0053-0018-8

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

ОТ АВТОРА

Уважаемый читатель!

Сегодня мы поговорим об очень интересных локомотивах – турбовозах. Турбовозы бывают паровые и газовые, т. е. с паровыми и газовыми турбинами. На них в своё время возлагались большие надежды, но, к сожалению, как и многие опытные локомотивы, они были построены небольшими партиями и в серию не пошли. О причинах этого вы узнаете, прочитав книгу.

В данной книге мы более подробно остановимся на паротурбовозах, потому что, если по газотурбовозам есть хоть какая-то литература, написано несколько книг, есть журнальные статьи, то по паротурбовозам практически нет и этого. Немногочисленные публикации о паротурбовозах в старых советских журналах вряд ли будут доступны широкому кругу читателей.

Эту книгу я посвящаю памяти замечательного человека, учёного-теплотехника – Евгения Тарасовича Бартоша (1918—2012), энтузиаста турбинной тяги, много сделавшего для её популяризации и развития. Из под его пера вышел ряд научных статей и монографий, посвящённых этому виду тягового подвижного состава. Последние 30 лет своей жизни Евгений Тарасович занимался разработкой новых видов турбовозов, основанных на применении парогазового цикла с использованием твёрдого топлива. Автор книги с 2000 г. принимал участие в этой работе и основные её положения с учётом своего видения проблемы изложил в последней главе книги.

При написании книги использованы сайты, на которых большей частью помещена наиболее полная информация о паровых и газовых турболокомотивах.

ВВЕДЕНИЕ

Попытки создать механизмы, похожие на турбины, делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (I в. н. э.). По словам И. В. Линде, XIX век породил «массу проектов», которые остановились перед «материальными трудностями» их выполнения. Лишь в конце XIX века, когда развитие термодинамики (повышение коэффициента полезного действия (к.п.д.) турбин до сравнимого с поршневой машиной), машиностроения и металлургии (увеличение прочности материалов и точности изготовления, необходимых для создания высокооборотных колёс), Густав Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленности паровые турбины.

В процессе развития совершенствовался рабочий процесс паровых турбин: повышались температура и давление пара перед турбиной до сверхкритических значений, более глубоким становился вакуум при выхлопе.

Газотурбинные установки (ГТУ) и двигатели (ГТД) являются наиболее древним по своей идее (примерно XV век) и вместе с тем наиболее молодым в отношении практической реализации (рубеж XІХ – ХХ столетий) тепловым двигателем. Газовые турбины вошли в большую энергетику, достигнув совершенства в авиации и кораблестроении. Применение газотурбинных установок оказывает существенное влияние на решение кардинальных задач, стоящих перед энергетикой: увеличение высокоманёвренных мощностей для покрытия пиковых нагрузок в крупных энергосистемах; повышение экономичности электростанций путём использования газотурбинных установок в комбинированных парогазовых и газопаровых установках при модернизации существующих и строительстве новых электростанций; использование газотурбинных, парогазовых и газопаровых установок в системах автономного снабжения электроэнергией и теплотой (теплофикации) индивидуальных потребителей; использование газотурбинных установок в качестве базовых агрегатов в автономных условиях в отдалённых районах.

Последующее изобретение и бурное развитие паровых турбин несколько затормозило развитие газовых турбин, однако не остановило его, причиной чего явился вполне очевидный ряд преимуществ газотурбинных установок перед паротурбинными. Паротурбинная установка – сложный агрегат, состоящий из котельной установки, паровой турбины, конденсатора, большого количества вспомогательного оборудования, требующий большого количества охлаждающей воды. Газотурбинная установка не нуждается в воде, она отличается меньшим количеством механизмов, большей простотой, заметно меньшими габаритами и массой.

Прототипы газовых турбин, к которым относят так называемые дымовые машины, были известны еще в XVII столетии, но отправным пунктом в развитии газовых турбин можно считать изобретение английского инженера Джона Барбера, который в восемнадцатом веке получил патент на устройство, которое имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах.

Первую в мире газовую реверсивную турбину радиального типа с десятью ступенями давления и горением при постоянном давлении сконструировал и построил русский инженер П. Д. Кузьминский. Испытания газотурбинной установки не были закончены из-за смерти П. Д. Кузьминского, но работа оказала заметное влияние на развитие водного транспорта.

Над созданием газотурбинных установок постоянного объёма работал немецкий учёный доктор Гольцварт, который провёл обширные экспериментальные работы, основанные на глубоких теоретических исследованиях.

Увлечение в 1920-х годах строительством ГТД с горением при постоянном объёме во многом может быть объяснено отсутствием возможности создания осевого или центробежного компрессора с достаточно высоким к.п.д. при принятой степени повышения давления, в то время как использование цикла с горением при постоянном объёме позволяло добиться повышения давления за счёт сгорания топлива в закрытом объёме. Уровень науки в области теории создания турбомашин, особенно компрессоров, был столь низким, что на каком-то этапе утвердилось мнение о невозможности достижения необходимого к.п.д. турбомашин, когда двигатель с горением при постоянном давлении мог быть работоспособным.

В то время как в Европе 20—30-е годы прошлого века прошли под знаком развития ГТУ прерывистого горения, в Харьковском политехническом институте в газотурбинной лаборатории, организованной еще в начале 20-х годов профессором В. М. Маковским, создавались научные основы газовых турбин постоянного действия. Маковский был убежденным сторонником развития газотурбостроения по пути использования ГТУ непрерывного горения. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные В. М. Маковским и его учениками в газотурбинной лаборатории, позволили создать проект ГТУ непрерывного горения с использованием газообразного топлива.

Одним из первых газовыми турбинами постоянного давления применительно к локомотивам стал заниматься русский учёный А. Н. Шелест.

Дальнейшее развитие ГТД шло по пути совершенствования его элементов (компрессора, турбины, камеры сгорания, теплообменников и др.), повышения температуры и давления газа перед турбиной, а также применения комбинированных силовых установок с паровыми турбинами и свободнопоршневыми генераторами газа.

В наше время турбины нашли широкое применение в стационарной теплоэнергетике, в военных транспортных средствах (танк Т-80) и на флоте, занимают господствующее положение в авиации и ракетостроении.

Также имеется определённый опыт использования турбин в качестве двигателей для автомобилей и на поездах.

Благоприятные динамические качества турбин способствуют их использованию на локомотивах, т. к. турбины имеют меньшее воздействие на путь, чем поршневые машины. На поршневых паровозах, как известно, добиться полного уравновешивания возвратно-поступательного механизма не удаётся, тогда как в случае применения турбин уравновешивание можно произвести балансировкой ротора.

Газовые турбины также широко используются в качестве средства наддува двигателей внутреннего сгорания с целью повышения мощности последних.

Глава I
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТУРБИНАХ

1.1. История турбин

Паровые турбины. Изобретатели давно пытались создать двигатель, где струя пара напрямую бы вращала рабочее колесо. Принцип действия паровых турбин основан на действии струи разогретого пара, тепловая энергия которого преобразуется в механическую работу. При этом скорость вращения колеса должна быть очень высокой за счёт большой скорости струи пара. Паровая турбина оказалась проще, экономичнее и удобнее, чем паровая машина Уатта.

Патент на первый паротурбинный двигатель получил американский морской инженер, адмирал Бенжамин Франклин Изервуд (1822—1915) в 1857 г. После выполненных в 1870 г. инженерных разработок несколько таких паротурбинных установок (ПТУ) на базе одноступенчатой турбины были помещены на военных фрегатах и позволили обеспечить их относительно высокую скорость (до 33 км/ч). Однако эти ПТУ оказались слишком сложными в изготовлении и не более эффективными (к.п.д. 6—8%), чем паровые машины.

Схема активной и реактивной турбин, где ротор – вращающаяся часть, а статор – неподвижная. Автор изображения Emoscopes.

Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века – шведом Г. Лавалем и англичанином Ч. Парсонсом.

Первую паровую турбину, которая представляла лёгкое колесо с лопатками, удалось создать шведскому изобретателю Карлу Густаву Патрику де Лавалю в 1883 г. Через поставленные под углом сопла на лопатки направляли пар, который давил на них и раскручивал колесо. Позднее Лаваль усовершенствовал конструкцию, применив сопло, которое расширялось на выходе. Благодаря этому увеличилась скорость пара и, соответственно, скорость вращения ротора. Полученная струя направлялась на один ряд лопаток, которые были насажены на диск. Давление пара и число сопел определяли мощность турбины, работающей по активному принципу. Если отработанный пар не уходил в атмосферу, а направлялся в конденсатор, где при пониженном давлении сжижался, то мощность турбины оказывалась наивысшей. Турбина Лаваля получила всеобщее признание, она давала большие выгоды при соединении с машинами, имеющими высокую скорость (сепараторы, пилы, центробежные насосы). Использовали её и в качестве привода для электрогенератора, правда, только через редуктор (из-за её высокой скорости).

Лаваль создал первую паровую турбину, по одной из версий, для того, чтобы приводить в действие сепаратор молока собственной конструкции. Для этого нужен был скоростной привод. Двигатели того времени не обеспечивали достаточную частоту вращения. Единственным выходом оказалось сконструировать скоростную турбину. В качестве рабочего тела Лаваль выбрал широко используемый в то время пар. Изобретатель начал работать над своей конструкцией и в конце концов собрал работоспособное устройство. В 1889 г. Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями, так появилось знаменитое сопло Лаваля, которое стало прародителем будущих ракетных сопел. Турбина Лаваля стала прорывом в инженерии. Достаточно представить себе нагрузки, которые испытывало в ней рабочее колесо, чтобы понять, как нелегко было изобретателю добиться стабильной работы турбины. При огромных оборотах турбинного колеса даже незначительное смещение в центре тяжести вызывало сильную вибрацию и перегрузку подшипников. Чтобы избежать этого, Лаваль использовал тонкую ось, которая при вращении могла прогибаться.

Схема одноступенчатой активной турбины Лаваля.

1 – вал; 2 – диск; 3 – рабочие лопатки; 4 – сопловая решётка; 5 – корпус; 6 – выпускной патрубок.

Главная заслуга Лаваля состоит в том, что он сумел создать основные элементы турбины, довести их до совершенства и соединить в работоспособную конструкцию, которая во многих отношениях на десятилетия опережала свое время. Если сравнить современную одноступенчатую активную турбину с её прабабушкой, созданной Лавалем, то поразит их сходство. Оказывается, что за более чем столетний период совершенствования в одной из самых динамичных областей техники формы сопел, лопаток, диска турбины претерпели в общем незначительные изменения. Это, наверное, беспрецедентный случай в истории техники. Причём показатель, связанный с прочностью конструкции.

Карл Густав Патрик де Лаваль.

Почти одновременно с Лавалем создал свою турбину английский изобретатель Чарлз Парсонс. В 1884 г. он запатентовал многоступенчатую реактивную турбину, специально сконструированную им для приведения в действие электрогенератора. Это была первая паровая турбина, которая начала с успехом применяться в промышленности. При меньшей скорости вращения энергия пара здесь использовалась максимально благодаря тому, что пар, проходя через 15 ступеней, расширялся постепенно. Каждая ступень имела пару венцов лопаток. Неподвижным был один венец с направляющими лопатками, которые крепились на корпусе турбины. Второй венец был подвижный, с рабочими лопатками на диске, насаженном на вращающийся вал. Лопатки венцов (неподвижных и подвижных) сориентированы в противоположных направлениях. С целью уравновешивания осевого усилия пар подводился к средней части вала турбины, а затем протекал к его концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. (около 4,4 кВт) и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в роторе, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции 1887 г. Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. К 1889 г. уже свыше трёхсот таких турбин использовалось для выработки электроэнергии, а в 1899 г. появилась первая электростанция с турбинами Парсонса. В турбине, изготовленной в 1896 г., мощность достигла уже 400 кВт, а удельный расход пара доходил до 9,2 кг/кВт(ч).

Первая многоступенчатая реактивная турбина Чарлза Парсонса.

Изобретатель старался расширить сферу применения своего изобретения, и в 1894 г. он построил опытное судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость – 60 км/ч. Вскоре паровые турбины начали устанавливать на быстроходных судах.

«Turbinia» – опытное судно Чарлза Парсонса. Автор фото Alfred John West.

Невозможность получить большую агрегатную мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых паровых турбин Лаваля (до 30000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что они сохранили своё значение только для привода вспомогательных механизмов. Активные паровые турбины развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в которых расширение пара осуществлялось в ряде последовательно расположенных ступеней. Это позволило значительно повысить единичную мощность, сохранив умеренную частоту вращения, необходимую для непосредственного соединения вала турбины с вращаемым ею механизмом.

Реактивная паровая турбина Парсонса некоторое время применялась, в основном, на военных кораблях, но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным турбинам, у которых реактивная часть высокого давления заменена одно- или двухвенечным активным диском. В результате уменьшились потери на утечки пара через зазоры в лопаточном аппарате, турбина стала проще и экономичнее. Хотя и сегодня паровые турбины в основном сохранили черты турбины Парсонса.

Чарльз Алджернон Парсонс.

Французский учёный Рато вывел комплексную теорию турбомашин на основе имевшегося опыта.

Газовые турбины. В ступенях этих лопаточных машин энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей, стационарных газотурбинных установок и парогазовых установок.

Англичанин Джон Барбер в 1791 г. впервые предложил идею создания газотурбинного двигателя с газогенератором, поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной.

Турбина Барбера могла работать на нефти, угле и древесине, что обеспечивалось путём их предварительной газификации (перегонки) в специальных ёмкостях в виде реторт. В схеме его газотурбинной установки кроме воздушного, был и газосжигательный компрессор. Смесь, образованную воздухом и газом, предлагалось нагнетать в камеру горения при помощи компрессора. После горения горючей смеси её предлагалось подавать с большой скоростью на лопатки рабочего колеса, на котором должна производиться работа расширения газа. Для предотвращения перегрева турбины от действия высоких температур предполагалось охлаждение продуктов горения впрыском воды в камеру горения.

Газотурбинная установка Джона Барбера. Рисунок из его патента.

Изобретение Барбера не было реализовано на практике. Первую в мире газовую реверсивную турбину сконструировал русский инженер и изобретатель Павел Дмитриевич Кузьминский в 1887 г. Его десятиступенчатая турбина работала на парогазовой смеси, получаемой в созданной им же в 1894 г. камере сгорания – «газопаророде». Кузьминский применил охлаждение камеры сгорания водой. Вода охлаждала стенки и затем поступала внутрь камеры. Подача воды снижала температуру и в то же время увеличивала массу газов, поступающих в турбину, что должно было повысить эффективность установки. В 1892 г. П. Д. Кузьминский испытал турбину и предложил её военному министерству в качестве двигателя для дирижабля его собственной конструкции. В 1895 г. Кузьминский предложил вариант газовой турбины более простой конструкции. Этот проект был осуществлён в 1897 г. на Петербургском патронном заводе, где была построена действующая газовая турбина, которую изобретатель готовил к показу на Всемирной выставке в Париже в 1900 г., однако не дожил до неё несколько месяцев.

Павел Дмитриевич Кузьминский.

Одновременно с Кузьминским опыты с газовой турбиной (в качестве перспективного двигателя для торпед) проводил также Чарлз Парсонс, однако вскоре пришёл к выводу, что имеющиеся сплавы из-за низкой жаропрочности не позволяют создать надёжный механизм, который приводился бы в движение струёй раскалённых газов либо парогазовой смесью, после чего сосредоточился на создании паровых турбин.

В 1872 г. в Германии инженером Штольце был получен патент на газовую турбину, названную им «огненной турбиной», которая содержала практически все основные узлы современной ГТУ с непрерывным процессом горения топлива в камере сгорания: осевой воздушный компрессор, воздухоподогреватель, совмещённый с камерой сгорания, и турбину. ГТУ была создана и рассчитана на получение мощности 200 л.с. при частоте вращения 2000 об/мин. Однако её испытания не были успешными и вместо 200 л.с. было получено только 20 л.с.

ГТУ Штольце с горением при постоянном давлении

 (непрерывного горения).

1 – компрессор; 2 – нагреватель; 3 – реактивная турбина; 4 – газогенератор.

В 1906 г. французскими инженерами Арманго и Лемалем с участием профессора Рато была построена газовая турбина с подводом теплоты при постоянном давлении мощностью 400 л.с. (294 кВт). Установка имела двухступенчатый центробежный компрессор. Направляющие лопатки турбины имели водяное охлаждение, а вода из системы охлаждения подавалась в продукты сгорания керосина, снижая их температуру до 560°С. Турбина развивала мощность, немногим превышающую мощность компрессора, поэтому компрессор приводился от постороннего двигателя.

В том же 1906 г. русский инженер В. В. Караводин спроектировал, а в 1908 г. построил во Франции бескомпрессорный ГТД с четырьмя камерами прерывистого горения, или со сгоранием при постоянном объёме, и газовой турбиной. Мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха в таких установках, существенно ниже, чем у газотурбинных установок постоянного давления. Турбина развивала мощность 1,6 л.с. (1,18 кВт) при 10000 об/мин, а эффективный к.п.д. достигал всего лишь 2%.

Газотурбинная установка В. В. Кароводина с горением при постоянном объёме (прерывистого горения).

1 – камера сгорания; 2 – всасывающий клапан; 3 – пружина; 4 – регулирующий винт хода клапана; 5 – свеча; 6 – газоход; 7 – сопло; 8 – колесо турбины.

Определённый прогресс в развитии газовых турбин постоянного объёма был обеспечен работами немецкого инженера Карла Гольцварта, который в 1908 г. предложил оригинальную конструкцию газовой турбины прерывистого горения. В 1910 г. швейцарской фирмой Brown Boveri эта установка была построена. Камера сгорания, сопла и колесо турбины охлаждались водой. Центробежный компрессор приводился в действие паровой турбиной, пар для которой получался как за счёт охлаждения камеры сгорания, так и за счёт теплоты выхлопных газов турбины. По сути, установка Гольцварта была одной из первых действующих парогазовых установок. В этой установке компрессор не имеет такого большого значения, как в газотурбинной установке непрерывного горения, так как горение происходит при постоянном объёме (при закрытых клапанах на входе и выходе из камеры сгорания) и поэтому давление в камере повышается сверх давления, развиваемого компрессором. Однако в целом установка получилась более сложной и дорогой, чем ГТУ непрерывного горения, поскольку для её работы требовались сложные клапанные устройства и паровая турбина с конденсатором. На этой установке была достигнута мощность 200 л.с. (147 кВт) при к.п.д. порядка 14%. Это наибольший к.п.д., который был получен в опытах с турбинами Гольцварта за период до 1927 г.

ГТУ прерывистого горения Гольцварта (с горением при постоянном

объёме), конструктивная схема.

1 – клапан подачи воздуха от компрессора; 2 – клапан подачи топлива; 3 – камера сгорания; 4 – клапан подачи продуктов сгорания к соплам; 5 – сопла; 6 – колесо турбины.

Начиная с 1908 г., по проектам Гольцварта было построено несколько ГТУ прерывистого горения. Поскольку в первые десятилетия прошлого века реализация таких ГТУ осуществлялась более успешно, чем ГТУ непрерывного горения, был накоплен положительный опыт, сыгравший благотворную роль в прогрессе газотурбостроения вообще. Так, в 1928 г. швейцарская фирма Brown Boveri возобновляет постройку ГТУ конструкции Гольцварта. Вскоре фирма получает заказ на разработку, а в 1939 г. приступает к изготовлению этих установок. К.п.д. таких установок оценивался на уровне 18—20%, максимальная мощность составляла 5000 л.с. Это время можно считать временем рождения первой промышленной стационарной газотурбинной установки. На основе накопленного опыта фирма Brown Boveri разработала и начала производство котлов типа «Велокс», горение в которых осуществлялось под давлением. Воздух в топку подавался компрессором, а приводила его в движение газовая турбина, работавшая на уходящих газах котла. Было выпущено большое количество таких котлов.

В 1936 г. В. М. Маковским был создан проект, а в 1940 г. Харьковским турбогенераторным заводом была изготовлена экспериментальная установка мощностью 735 кВт с начальной температурой газа 850°С. Турбина имела две ступени скорости. Рабочие лопатки приварены к диску. Корпус и ротор турбины охлаждались водой. Охлаждающая ротор вода специальным насосом подавалась через один конец полого вала, проходила через радиальные сверления и кольцевую полость в диске, а также через сообщающиеся между собой радиальные каналы в рабочих лопатках и отводилась через другой конец полого вала.

Газовая турбина В. М. Маковского.

1 – нижняя половина корпуса; 2 – опорно-упорный подшипник; 3 – корпус уплотнения; 4 – рабочее колесо турбины; 5 – сопловый аппарат; 6 – верхняя половина корпуса; 7 – экран; 8 – опорный подшипник; 9 – муфта.

Газотурбинная установка Маковского была установлена на руднике в Горловке (1941 г.). Топливом служил подземный газ, который подавался в камеру сгорания поршневым компрессором. Сюда же, в камеру сгорания, подавался необходимый для сгорания воздух под давлением 3—4 ата. Испытания показали, что газовая турбина может надёжно работать длительное время с начальной температурой газа 815°С при включённом охлаждении и с начальной температурой газа 600°С – при отключённом охлаждении. Создание установки В. М. Маковского дало много ценного материала для последующего строительства газотурбинных установок.

Первая советская газовая турбина, установленная на шахте «Подземгаз» в Горловке.

Если провести сравнение схем газотурбинных установок первых изобретателей, по которым были созданы опытные образцы, не показавшие положительных результатов, с современными газотурбинными установками, то можно увидеть, что принципиальных различий в них нет. Главные причины неудач в создании работоспособного и эффективного газотурбинного двигателя были связаны с аэродинамическим несовершенством компрессоров и турбин, а также отсутствием в то время жаропрочных сталей, способных работать длительное время в условиях высоких температур. Сыграло роль и отсутствие опыта создания систем охлаждения основных деталей и узлов газотурбинных установок.

1.2. Конструкция турбин

Паровые и газовые турбины – это тепловые расширительные турбомашины, в которых потенциальная энергия нагретого и сжатого пара (газа) при его расширении в лопаточном аппарате превращается в кинетическую энергию, а затем в механическую работу на вращающемся валу. К турбомашинам относятся и турбокомпрессоры, преобразующие механическую энергию, подводимую к валу, в потенциальную энергию сжатого воздуха (газа) при его торможении в лопаточном аппарате. Вращающиеся лопатки, закреплённые на роторе турбомашины, изменяют полную энтальпию рабочего тела, при этом производится положительная (в турбинах) или отрицательная (в компрессорах) работа.

Ступени осевой турбомашины образуют проточную часть. Процесс расширения в осевой турбине или сжатия в осевом компрессоре происходит в одной или нескольких ступенях. Ступень турбины – это совокупность неподвижного соплового аппарата, поворачивающего рабочее тело для придания потоку необходимого угла атаки по отношению к лопаткам рабочего колеса, и вращающегося рабочего колеса. Ступень компрессора – это совокупность вращающегося рабочего колеса и неподвижного спрямляющего аппарата.

В зависимости от характера расширения рабочего тела различают активные и реактивные ступени турбины. В активных ступенях потенциальная энергия пара (газа) преобразуется в кинетическую только в сопловых аппаратах, и кинетическая энергия используется для вращения рабочих лопаток. В реактивных ступенях расширение рабочего тела начинается в сопловом аппарате и продолжается в каналах рабочих лопаток, имеющих конфигурацию реактивного сопла. Полезная работа совершается в активной ступени только вследствие изменения направления потока рабочего тела, а в реактивной ещё благодаря силе рабочего тела в межлопаточных каналах.

Модель одной ступени паровой турбины. Автор фото dr. Kaboldy Péter.

Турбомашины классифицируют по нескольким признакам.

По направлению движения потока рабочего тела различают аксиальные турбины, у которых поток рабочего тела движется вдоль оси турбины, и радиальные, направление потока рабочего тела в которых перпендикулярно оси вала турбины. Центробежные турбины (турбокомпрессоры) выделяют как отдельный тип турбин.

По числу контуров турбины подразделяют на одноконтурные, двухконтурные и трёхконтурные. Очень редко турбины могут иметь четыре или пять контуров. Многоконтурная турбина позволяет использовать большие тепловые перепады энтальпии, разместив большое число ступеней разного давления.

Осевая многоступенчатая турбина состоит из вращающегося ротора и неподвижного корпуса. Ротор несёт ряды закреплённых на нём рабочих лопаток. Перед каждым рядом рабочих лопаток в корпусе устанавливаются сопловые лопатки (в паровых турбинах их часто называют направляющими). Для уплотнения зазоров между ротором и корпусом применяются концевые и промежуточные уплотнения. Для подвода и отвода тепла служат соответственно входной и выходной патрубки либо в виде улиток, либо в виде кольцевых каналов.

Радиальная (центростремительная) турбина включает ротор и корпус. Ротор представляет собой рабочее колесо, несущее обычно изготавливаемые за одно целое с ним рабочие лопатки. Из входного патрубка (улитки) рабочее тело поступает в сопловой аппарат, а затем на рабочее колесо. Иногда сопловой аппарат выполняют без лопаток; в этом случае специально спрофилированная входная улитка служит безлопаточным сопловым аппаратом. Центробежный компрессор имеет аналогичные элементы.

На переднем конце вала ротора устанавливается предельный центробежный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий (замедляющий) турбину при увеличении частоты вращения на 10—12% сверх номинальной.

В турбоагрегатах традиционно применяется «тихоходный» – несколько оборотов в минуту – валоповорот. Валоповоротное устройство предназначено для медленного вращения ротора при пуске и останове турбины для предотвращения теплового искривления ротора.

Схемы основных типов турбин и турбокомпрессоров.

а – осевая турбина; б – центростремительная турбина; в – осевой компрессор; г – центробежный компрессор; 1 – ротор; 2 – входной патрубок (улитка); 3 – корпус; 4 – выходной патрубок (улитка); 5 – концевые уплотнения; 6 – подшипниковые узлы; 7 – промежуточные уплотнения; 8 – рабочая лопатка; 9 – сопловая лопатка; 10 – спрямляющая лопатка; 11 – лопаточный диффузор; 12 – безлопаточный диффузор.

На конструкцию паровой турбины влияют начальные параметры пара, режим её работы, конечная влажность пара, особенности технологии изготовления и другие факторы.

Для активных турбин характерно наличие перегородок-диафрагм, в которых располагаются неподвижные сопловые лопатки. Диафрагмы разделяют диски так, что две соседние диафрагмы образуют камеру, в которой располагается диск с рабочими лопатками. В реактивных паровых турбинах рабочие лопатки обычно крепят к ротору барабанного типа, а сопловые – к корпусу турбины или в обоймах.

Конденсационные турбины мощностью до 50 МВт, как правило, выполняются одноцилиндровыми. Цилиндр – это основной узел паровой турбины, в котором внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию парового потока и далее – в механическую энергию ротора. Число венцов сопловых лопаток в каждом цилиндре паровой турбины равно числу венцов рабочих лопаток соответствующего ротора. Цилиндр турбины может быть однокорпусным и двухкорпусным.

Корпуса паровых турбин для удобства сборки и разборки обычно имеют разъём по горизонтальной плоскости. В одноцилиндровых турбинах корпус иногда имеет не только горизонтальный разъём, но и вертикальный, что облегчает его механическую обработку и транспортирование. При высоких рабочих давлениях цилиндры отливают из чугуна или стали, иногда эти цилиндры выполняют сварно-литыми. При низких давлениях корпуса цилиндров и выходные патрубки конденсационных турбин обычно изготавливают сварными из листовой углеродистой стали.

Роторы паровых турбин могут быть дисковыми или барабанными. Дисковая конструкция характерна для турбин активного типа, барабанная – реактивного.

В большинстве стационарных и транспортных паровых турбин применяются подшипники скольжения.

Схемы роторов паровых турбин.

а – дисковый; б – барабанный.

Конструкции ГТУ и ГТД и их узлов зависят от выбранной конструктивной схемы, т. е. взаимного расположения компрессоров, камер сгорания, турбин, воздухоохладителей и регенераторов.

По числу валов, связанных общностью теплового процесса или общей зубчатой передачей (редуктором), различают одновальные, двухвальные, реже трёхвальные ГТД. Расположение валов может быть как коаксиальным так и параллельным с независимым расположением осей валов.

По простейшей одновальной схеме без регенератора выполняют энергетические пиковые ГТУ и ГТУ вспомогательного назначения, приводящие электрогенератор. По этой же схеме был выполнен ГТД первого отечественного газотурбовоза и многие авиационные турбореактивные двигатели. Для транспортных ГТД сравнительно малой мощности (до 1—1,5 МВт), например, автомобильных, характерна двухвальная конструктивная схема. По этой же схеме изготовляют пиковые (без регенерации) и базовые энергетические (с регенерацией) ГТУ.

Трехвальную схему применяют для транспортных ГТД большой мощности (свыше 5 МВт), например, судовых и пиковых, аварийных стационарных энергетических ГТУ, если в качестве газогенератора (блоков компрессоров и турбин высокого и низкого давления) используется авиационный реактивный двигатель, сопло которого заменено на диффузорный патрубок с силовой турбиной. По двухвальной схеме с блокированной турбиной нагрузки могут выполняться базовые стационарные энергетические ГТУ большой мощности.

ГТУ с одновальным турбокомпрессором с отбором воздуха или газа встраиваются в технологические процессы химических, нефтеперерабатывающих и металлургических производств.

Конструкции узлов стационарных, транспортных и авиационных ГТД и ГТУ достаточно разнообразны.

Корпуса узлов мощных стационарных и многих транспортных ГТУ обычно выполняются разъёмными по горизонтальной плоскости.

Среди судовых ГТУ наибольшее применение находят лёгкие прямоточные установки. ГТД состоит из воздухозаборника, компрессора низкого давления (КНД), компрессора высокого давления (КВД), камеры сгорания, турбин высокого (ТВД), среднего (ТСД) и низкого давления (ТНД). ТВД приводит во вращение КВД, ТСД – КНД, ТНД работает на винт. Вал КНД и ТСД проходит внутри вала КВД и ТВД (конструкция «вал в валу»). Мощность ТНД передаётся винту через рессору и редуктор. Роторы всех трёх турбин имеют разную частоту вращения. Для передачи мощности от пусковых электродвигателей и для привода расположенных на корпусе двигателя механизмов служат передняя и основная коробки приводов. Маслоагрегат также получает мощность от вала компрессора. Все элементы ГТД смонтированы на общей раме. Кожух газоотводного патрубка сообщается с кожухом двигателя. Окружающий воздух эжектируется отработавшими газами и, проходя между кожухом и корпусом двигателя, охлаждает их.

Схема судового ГТД прямоточного типа.

1 – воздухозаборник; 2 – передняя коробка привода; 3 – задняя коробка привода; 4 – КНД; 5 – КВД; 6 – камера сгорания; 7 – ТВД; 8 – ТСД; 9 – кожух двигателя; 10 – ТНД; 11 – газоотводный патрубок; 12 – кожух газоотводного патрубка; 13 – рессора; 14 – редуктор; 15 – маслоагрегат; 16 – рама.

В судовых и стационарных ГТУ прямоточного типа имеется возможность дальнейшего увеличения температуры газа при одновременном повышении степени увеличения давления в компрессоре, и соответственно к.п.д. установки. Для применения высоких температур газа необходимо вводить интенсивное охлаждение проточной части и, в первую очередь, лопаток, поскольку жаропрочность металлических сплавов ограничена. В настоящее время практически ни одна ГТУ (или ГТД) не выполняется без охлаждения лопаток.

Газотурбинная установка замкнутого цикла (ЗГТУ) включает газоохладитель, понижающий температуру до начального значения и регенератор. Вместо камеры сгорания в ЗГТУ устанавливается подогреватель, в котором рабочее тело (обычно воздух) не смешивается с продуктами сгорания топлива.

Каждая газотурбинная установка обеспечивается рядом систем, относимых к вспомогательным, без которых, однако, работа установки невозможна. К ним относятся система смазки, обеспечивающей работу подшипников и редукторов, система регулирования, в которую можно включить и топливную систему, обеспечивающие устойчивую и надёжную работу установки на любом расчётном режиме от холостого хода до номинальной нагрузки, а также на режимах пуска и останова, система очистки воздуха и шумоглушения, а также система пуска установки. Важнейшую роль в обеспечении надёжной и высокоэкономичной работы газотурбинных установок играет система охлаждения или тепловой защиты установки, которая по сути состоит из ряда автономных систем, охлаждающих наиболее горячие и напряжённые детали и узлы установки и поддерживающих расчётный уровень термонапряжённого состояния деталей.

Глава II
ЛОКОМОТИВЫ С ПАРОВЫМИ ТУРБИНАМИ

2.1. Общие сведения

Применение паровой машины в качестве локомотивного двигателя серьёзно затрудняло конструкторам решение задачи улучшения как ходовых, так и тягово-теплотехнических свойств паровоза.

Суть в том, что:

– во-первых, поршневая машина является источником значительных сил инерции, обуславливающих своеобразные, весьма нежелательные «подёргивания» и «виляния» паровоза на ходу;

– во-вторых, преобразование прямолинейного движения поршня машины во вращательное движение колёс требует применения шатунно-кривошипного механизма, являющегося в свою очередь источником возникновения вредных, а при известных условиях – опасных для движущегося поезда динамических воздействий на железнодорожный путь, причём надлежащее уравновешивание возвратно-движущихся масс по мере возрастания ходовых скоростей паровоза становится всё менее достижимым;

– в-третьих, использование мощности паровозной машины ограничивается в силу конструктивных особенностей шатунной передачи величиной примерно 700—800 л.с. на одну движущую ось. Иначе говоря, от обычного паровоза, например, с пятью движущими осями в одной раме, можно получить не более 3500—4000 л.с., а с четырьмя осями – ещё меньше;

– в-четвёртых, поршневая машина плохо приспособлена для работы с высоким давлением и температурой перегрева пара, главным образом из-за смазки, уплотнений и т. д. Между тем, перегрев пара наиболее важен для повышения тягово-теплотехнической эффективности парового локомотива.

Преимущество паровой турбины перед поршневой паровой машиной, состоящее в экономии топлива, заставило подумать о применении турбины на паровозе. На протяжении ряда лет стремились добиться уменьшения расхода топлива паровозами путём перегрева пара и подогрева питательной воды (выходящими газами), но применение конденсации пара, которое может значительно увеличить коэффициент полезного действия паровой установки, по-видимому, возможно только при замене поршневой машины турбиной, достаточно простой в передаче работы и реверсирования и вполне применимой как тяговый двигатель локомотива, поскольку использование достаточно глубокого вакуума, возможное при цилиндрах большого объёма, при габаритных ограничениях в поршневом паровозе достигнуто быть не могло. Поэтому в различных странах были построены принципиально новые локомотивы, у которых паровая машина заменена паровой турбиной. Эти локомотивы получили название паротурбовозов.

Для возможности повысить к.п.д. современных паровозов и сравнения их в смысле экономичности с машинами стационарных установок необходимо применить принцип конденсации отработанного пара и механической тяги воздуха.

Этот вопрос в обыкновенных паровозах разрешается применением конденсационных тендеров и имеет главнейшим назначением уменьшение расхода воды. С другой стороны, конденсация мятого пара требует применения цилиндров больших размеров для повышения степени расширения, которые не всегда могут поместиться в габарите, что ограничивает возможность её применения.

Поэтому конденсационную установку на паровозе обычно осуществляют одновременно с заменой поршневой машины турбиной, причём:

1) к.п.д. значительно повышается и расход угля падает;

2) конденсат – почти чистая дистиллированная вода – идёт в котёл; следовательно, получается замкнутый цикл, при этом накипь почти исчезает, и, таким образом, увеличивается срок службы котла и уменьшается его ремонт;

3) расход воды резко уменьшается;

4) перегрев пара может быть весьма повышен, так как нет трущихся частей, соприкасающихся с паром;

5) турбовоз лучше уравновешен и поэтому динамическое воздействие на путь уменьшается;

6) тяга воздуха происходит равномернее;

7) сила тяги при трогании с места и, вообще, при наибольших отсечках в турбинах больше, чем при поршневых машинах вследствие лучшего коэффициента сцепления, обусловленного наличием постоянного крутящего момента.

Вот почему научно-техническая и изобретательская мысль усиленно работала в направлении создания парового локомотива с другим первичным двигателем, свободным от указанных недостатков поршневой машины, каким и оказалась паровая турбина.

Осуществление рационального турбовоза зависит от удачного решения вопроса о конденсаторах, которых предложено несколько конструкций:

а) с охлаждением непосредственно воздухом;

б) с охлаждением водой, причём для конденсации используется скрытая теплота испарения воды;

в) обыкновенные водяные конденсаторы.

В общем, наиболее пригодным можно считать поверхностный конденсатор с испарителем.

Турбинный агрегат с конденсацией, обладая рядом больших преимуществ, – равномерным крутящим моментом, большой силой тяги при трогании с места, быстрым разгоном, полным уравновешиванием и питанием котла конденсатом, – требует однако добавочных устройств для передачи, обратного хода, вспомогательных механизмов и конденсации.

Как показывает изучение энтропийных диаграмм, увеличение давления пара даёт благоприятные результаты в связи с увеличением его температуры. В турбинах применение высокого давления не встречает затруднений.

Фактически турболокомотивы впервые появляются в тех странах, которые или должны привозить уголь из-за границы (Швеция, Швейцария), или которые благодаря низкому экономическому уровню должны прибегать к исключительной бережливости (Германия 20-х годов прошлого века).

В находившихся в то время в эксплуатации турболокомотивах господствовало большое разнообразие как относительно общей конструкции, так и относительно передачи¹.

Наряду с чисто турболокомотивами (Цёлли, Крупп, Юнгстрем, Маффей, Рейд-Маклауд) имелся ещё турбоэлектровоз постройки Рэмси; Геншелем реализована комбинация поршневой машины с турбиной мятого пара в роли бустера тендера. Характеристики паротурбовозов типа 1—4—0 системы Юнгстрема, построенных в Швеции, типа 2—3—1 (Цёлли, Круппа и Маффея) – в Германии и типа 3—4—3 (Балдвина) – в США приведены в нижеследующей таблице.

Передача усилия от турбин к движущим осям в большинстве перечисленных выше паротурбовозов осуществлялась при помощи зубчатого редуктора, в котором по условиям эксплуатации локомотива на переменном профиле пути требовалось большое количество ступеней (пар зубчатых колёс). Для создания более гибкого управления локомотивом передача усилия от турбины к движущим осям была осуществлена с помощью электрического привода. Получился новый вид локомотива – паротурбовоз с электрической передачей.

Этот локомотив типа 2—4+2—4—2 с восемью движущими осями обладал большим весом, сложным оборудованием и мог совершать пробеги около 1000 км без набора топлива.

Несмотря на хорошие тяговые качества паротурбовоз с электрической передачей не получил распространения из-за высокой начальной стоимости, низкого коэффициента полезного действия и сложности ремонта.

В распоряжении конструкторов, посвятивших себя постройке турболокомотивов, имелся опытный и конструктивный материал лишь стационарных и судовых турбинных установок. Однако проблема установки тяговой турбины на локомотиве значительно сложнее из-за затруднений, вызываемых весовыми и габаритными предельными нормами, накладывающими ряд ограничений. Кроме того, эта задача затруднена теми особыми требованиями, которые предъявляла эксплуатация к новым конструкциям. Турбина в качестве тяговой машины локомотива вполне удовлетворяла эксплуатационным условиям, при которых скорости и мощности подвержены сильным колебаниям, кроме того она удовлетворяла также требованию реализации большого крутящего момента при трогании с места.

Наибольший вращающий момент паровой турбины при пуске в два раза превышает нормальный, так что турбовоз в этом отношении подобен паровозу. Расход пара вначале очень велик, но быстро падает с увеличением частоты вращения. Для реализации большого крутящего момента необходимо соответственно большое количество пара, которое, проходя через турбину, при стоящих неподвижно венцах, лишь дросселируется, на производя внешней работы.

Благодаря этому происходит очень быстрый прогрев ротора и корпуса турбины, причём температурные напряжения не появляются благодаря тому, что отвод тепла происходит достаточно легко через поверхность частей турбины, омываемых паром, имеющих большой вес.

Изменение скорости поезда, а следовательно и скорости венца турбины значительно влияет на величину коэффициента полезного действия турбины. В этом отношении реактивные турбины менее чувствительны, чем активные, так как можно считать, что уже при средних скоростях реактивные турбины работают в лучших условиях. Благодаря этому сторонники активных турбин предложили применить на локомотиве устройство, по идее заимствованное из практики морских ходовых турбин, которые включаются при уменьшении скорости.

Конструктор реактивных турбин может этого усложнения избежать в том случае, когда турбина при средних скоростях даёт высокий коэффициент полезного действия, при малых скоростях она работает ещё в хороших пределах, зато при высоких скоростях достигается чрезвычайно высокий коэффициент полезного действия, который изменяется чрезвычайно мало.

Сила тяги при трогании с места, величина которой при постройке турболокомотивов не была известна, так как не имелось никакого опыта, оказывается значительно выше силы тяги по сцеплению.

Непосредственная передача мощности турбины на сцепные колёса неосуществима; точно так же и простая зубчатая передача, в виде комбинации цилиндрических и конических колёс, могла быть осуществлённой лишь в турболокомотиве Рейда-Маклауда при его малой мощности (около 1000 л.с.). За исключением электрической передачи в локомотиве Рэмси в остальных турболокомотивах конструкторы предпочли передачу с помощью отбойного вала, заимствованную у электрических локомотивов. При этом частота вращения турбины через двойную зубчатую передачу понижается до частоты вращения сцепных колёс, которые получают движение от отбойного вала с помощью ведущих спарников.

Надёжность зубчатой передачи в настоящее время бесспорна. Но что касается вoпроса о реверсировании, то последний не вполне решён. Юнгстрем включает для этой цели одно лишнее зубчатое колесо, что встречает ряд возражений. Крупп и Цёлли применяют реверсивную турбину, что годится, однако, лишь для маневровой службы.

Передача силы тяги при трогании с места при сцепной массе 60 т², также как и передача мощности 2500 л.с. при скорости 120 км/ч с помощью одного отбойного вала, обуславливает появление в редукторе весьма высоких напряжений.

Расположение и соразмерность передаточных органов и изменение направления действующих сил в передаточном механизме и локомотивной раме потребовали подробного специального изучения, так как на упругие деформации изгиба и кручения оказывают влияние такие явления, как тепловые напряжения, игра буксовых подшипников и т. д.

Опыт показал, что передача желаемой мощности вполне возможна, причём открываются перспективы постройки экономичных турболокомотивов с двумя турбинами и двумя отбойными валами на мощности порядка 4000—5000 л.с., т. е. такого, которого требует современный мировой рынок.

При зубчатой передаче проблема обратного хода может быть разрешена двояко: во-первых, путём постановки специальной турбины обратного хода³ и, во-вторых, путём приспособления для переключения зубчатой передачи.

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

Эдиссона Common Wealth Edisson Company в Чикаго.

Основные размеры главных частей котла следующие:

поверхности нагрева:

– котла – 1463 м²;

– перегревателя свежего пара – 197 м²;

– перегревателя промежуточного пара – 307 м²;

– подогревателя воды – 858 м²;

– часовая паропроизводительность котла – 45000 кг;

трубы котла:

– внутренний диаметр – 50,8 мм;

– длина – 4500 мм;

сборник пара:

– наружный диаметр – 1220 мм;

– толщина стенок – 102 мм;

водяные камеры:

– толщина продольных стенок – 31,75 мм;

– толщина боковых стенок – 15,9 мм;

трубы подогревателя воды:

– внутренний диамметр – 50,4 мм;

– длина – 6100 мм;

общая площадь котла – 8,5×11,1 м².

Данные котла для силовой станции в Уэймуте Эдиссоновского Общества электрического освещения в Бостоне:

поверхность нагрева – 1570 м²;

часовая паропроизводительность – 90000 кг;

температура перегрева пара – 370°C;

давление промежуточного пара — 26,5 ат.

Котёл Бабкок-Вилькокс для силовой станции в Уэймуте Эдиссоновского Общества электрического освещения в Бостоне.

Таким образом, производительность этих котлов на 1 м² поверхности нагрева равна около 30 кг/ч.

4 декабря 1924 г. на Делавар-Гудзонской ж. д. (США) состоялась приёмка нового паровоза типа 1—4—0 оригинальной конструкции.

Паровоз был принят и назван «Гораций Аллен». Он построен по проекту И. Е. Мульфелд, инженера-конструктора этой дороги на заводе Американской Паровозостроительной Компании.

Котёл «Горация Аллена» сильно отличается от обычных.

Он состоит из одного среднего котла, диаметром 1680 мм, двух нижних котлов диаметром по 508 мм и двух верхних диаметром 762 мм. Паровое пространство только в верхних котлах.

Наружный вид котла паровоза «Горация Аллена».

Вид внутрь огневой коробки.

Вид котла со стороны дымовой коробки.

Все котлы соединены между собой двумя водяными камерами, составляющими переднюю и заднюю стенку огневой коробки. Эти камеры состоят из двух частей, прикреплённых на фланцах друг к другу и приделанных внизу к отливке основания. Сквозь камеры проходят верхний и нижний котлы, в которых на местах присоединения вырезаны отверстия. Кроме этого, к передней камере приклёпаны с одной стороны листы стенок среднего котла, а с другой стороны – трубная стенка этого котла с дымогарными трубами. В задней камере имеется отверстие для топочной дверки. В задних днищах верхних и нижних котлов имеются лазы. Верхние котлы с паровым пространством длиннее нижних; они вытянуты вдоль среднего котла на 3376 мм и на переднем котле имеют утолщение, с помощью которого они сообщаются со средним котлом. Чтобы сделать это сообщение ещё лучше, между верхними котлами установлены четыре трубы, соединяющие средний котёл с верхними.

Верхние котлы соединяются с нижними с помощью 306 трубок (102 диаметром 2¹/2 дюйма и 204 диаметром 2 дюйма), которые одновременно составляют боковые стенки огневой коробки. Этим достигаются большая поверхность нагрева огневой коробки и жёсткость всей конструкции.

Чтобы увеличить ещё больше поверхность нагрева огневой коробки, под верхними котлами установлены десять трехдюймовых труб, соединяющих переднюю и заднюю водяные камеры. Кроме того, эти камеры соединены между собою шестью 3¹/₂-дюймовыми трубами, идущими вдоль свода.

Свод топки идёт непрерывно от низа трубной стенки до задней водяной камеры, выше топочной дверки, и делит огневую коробку на две части. Пламя и горячие газы идут направо и налево сквозь ряды водяных трубок, затем поворачивают и снова проходят мимо трубок в пространство над сводом, а оттуда в дымогарные трубы.

Пар собирается в передних частях верхних котлов. У наивысшей производящей этих котлов подвешена паросборная труба, в верхней части которой просверлено несколько рядов полдюймовых дыр. Пар, таким образом, собирается над большим зеркалом испарения и почти не увлекает с собой воду.

По паросборной трубе пар выходит из верхнего котла и через тройник попадает в водоотделитель системы Sanford Riley, установленный между верхними котлами.

Этот водоотделитель центробежного типа; пар пропускается по горизонтальной спирали, где вода выделяется и собирается на дне отливки; отсюда она снова попадает в котёл.

Описанная паросборная труба дала столь хорошие результаты, что водоотделителю почти нечего было делать; был даже поднят вопрос, нужен ли он вообще. Калометрическое исследование установило, что максимальная влажность пара в результате действияя паропроводной трубы и водоотделителя не превышала 2—3%.

К переднему фланцу водоотделителя привинчен болтами регулятор. Из регулятора пар попадает в камеру перегревателя, расположенную над дымовой коробкой.

Все болты перегревательных элементов имеют гайки наверху камеры, где их можно подтягивать, не открывая дверец дымовой коробки. В перегревателе 42 элемента, и каждый состоит из одной петли. Трубка элемента по выходе из камеры насыщенного пара завёрнута спиралью вокруг кольцеобразной трубы и вместе с ней заварена в стальную отливку, расположенную на 300 мм позади трубы паровоза. Движение пара по спирали прижимает всю влагу его к стенкам, чем достигается лучшая теплопередача. Этим также уравновешиваются напряжения расширения в соединениях кольцеобразной трубы. По этой трубе пропускается пар, который предохраняет от перегрева, когда регулятор закрыт. Из камеры перегревателя перегретый пар по паровпускной трубе попадает в цилиндр высокого давления.

Много внимания было обращено на уменьшение сопротивления в паропроводе. Паропроводная труба до регулятора имеет 8¹/2 дюйма в диаметре. (Лишь выходной фланец водоотделителя имеет диаметр 8 дюймов). От регулятора до камеры нагревателя 7¹/₂-дюймовый проход, и тот же размер удержан до цилиндра высокого давления. Ресиверная труба имеет 10 дюймов в диаметре.

Котёл паровоза «Горация Аллена» в разрезах.

Основные данные котла:

тип – комбинированный водо- и огнетрубный;

давление пара – 22 ат;

род топлива – смесь жидкого и антрацита;

внутренний диаметр передней части среднего котла —

1546 мм;

огневая коробка, длина и ширина – 3480 × 1875 мм;

трубы вдоль свода, число и диаметр – 6 по 90 мм;

дымогарные трубы, число и диаметр – 145 по 50 мм;

жаровые трубы, число и диаметр – 42 по 137 мм;

длина – 4572 мм;

поверхность решётки – 6633 м²;

поверхности нагрева:

– огневой коробки – 104,42 м²;

– труб свода – 5,85 м²;

– дымогарных труб – 105,16 м²;

– жаровых труб – 81,85 м²;

итого поверхность нагрева парообразования – 297,28 м²;

перегреватель – 53,79 м²;

всего парообразования и перегревателя – 351,07 м².

Завод Baldwin в Америке выпустил в 1926 г. свой шестидесятитысячный паровоз, представляющий интерес рядом конструктивных ообенностей. Этот юбилейный паровоз типа 2—5—1, предназначенный для товарных поездов, рассчитан на давление пара 24,6 ат, вследствие чего недостаточно надёжная при повышенных давлениях пара топка обычного типа с плоскими стенками и болтовыми связями заменена в нём водотрубной.

В устройстве цилиндрической части котла нет никаких особенностей. Котёл состоит из трёх барабанов, склёпанных из железа толщиной 33,3, 35 и 38 мм. Третий барабан конический, так что диаметр цилиндрической части котла с 2134 мм в переднем его конце увеличивается до 2388 мм в заднем. Котёл снабжён 206 дымогарными трубами диаметром 57,3 мм и 50 жаровыми трубами диаметром 140 мм, длина этих труб 7010 мм.

Остов топки состоит из двух цилиндрических клёпаных труб диаметром 660 мм, образующих потолок огневой коробки, кольцевого полого резервуара (грязевое кольцо, составляющее нижнюю обвязку топки, и 96 труб диаметром 102 мм, соединяющих потолочные трубы с грязевым кольцом и образующих боковые стенки топки, по 48 труб с каждой стороны).

Остов водотрубной топки.

Хорошо видны концевые отверстия потолочных труб, закрываемые съёмными крышками и служащие для промывки боковых труб топки.

Потолочные трубы, расположенные одна от другой на расстояини 787 мм между их центрами, имеют полную длину 7162 мм. Они пропущены через заднюю решётку в цилиндрическую часть котла, где продолжены на длину 1670 мм и доведены до начала третьего барабана, с которым, благодаря его конусности, приходили в соприкосновение и приклёпывались в верхней его части.

Такое закрепление потолочных труб противодействует выпучиванию под давлением пара верхней части решётки. Кроме того, для уравновешивания давления пара на задние запорные крышки потолочных труб, передние концы их притянуты длинными анкерными болтами к передней решётке котла.

Полое, отлитое из стали, грязевое кольцо длиной 5537 мм и шириной 2565 мм состоит из трубчатого резервуара, по всему его периметру снабженного ещё двумя сообщающимися трубами – одной продольной по середине и одной поперечной, проходящей на расстоянии 1629 мм от переднего конца топки. Кроме боковых сторон грязевого кольца с потолочными трубами связаны задняя поперечная труба четырьмя 102 мм трубами и средняя поперечная труба кольца – пятью также 102 мм наклонными трубами. Эти последние пять труб служат для поддержания поперечной стенки и свода из огнеупорного материала, разделяющих топку на две камеры.

Грязевое кольцо.

С цилидрической частью котла грязевое кольцо соединено двумя изогнутыми трубами диаметром 229 мм. Все вертикальные трубы в местах соединения с грязевым кольцом развальцованы, а в соединениях с потолочнымн резервуарами, кроме того, ещё и приварены.

С наружной стороны трубчатые боковые стенки огневой коробки обмурованы огнеупорным кирпичём, облицованы плитками и покрыты обшивкой. В потолке топки пространство междy двумя водяными трубами также заполнено огнеупорным материалом.

Обмуровка топки.

Высота топки от верха грязевого кольца до центров потолочных труб 1981 мм, объём топки 19,35 м³, площадь колосниковой решётки 7,66 м². Длина топки 5067 мм, ширина 2438 мм. Длина колосниковой решётки З511 мм, ширина 2184 мм. Поверхности нагрева: огневой коробки – 69,21 м²; жаровых труб – 152,78 м²; дымогарных труб – 257,77 м². Площадь перегревателя 126,10 м².

Усовершенствования в области паровозов направлены на улучшение в них использования тепла, что может быть достигнуто путём повышения давления пара, примерно, до 60 ат (против 14—16 ат).

Для достижения этой цели заводом Henschel в 1925 г. построен паровоз 2—3—0 с котлом двойного давления, причём топка служила в качестве котла высокого давления на 60 ат, с промежуточным подогревом, цилиндрическая часть котла исполнена обычной конструкции на рабочее давление 14 ат.

Топка построена из водяных труб, которые входят своими нижними концами в водяную камеру у обвязочной рамы, а верхними концами – в маленький паросборник. Пар, образующийся в водяных трубках, попадает по восходящим водяным трубкам из паросборника в нагревательные змеевики, которые укреплены вверху котла высокого давления. Здесь пар (с давлением 70—85 ат) отдаёт свою теплоту парообразования питательной воде в котле высокого давления и ниспадает по наружным трубкам как конденсат снова в камеру топочной рамы.

Этим достигается отсутствие накипи в трубчатом котле.

Цилиндрическая часть котла (с рабочим давлением 14 ат) обычной формы.

Пар из котла высокого давления (60 ат) поступает через регулятор высокого давления к перегревателю обычного типа, который расположен в нижней части жаровых труб. Оттуда пар поступает в цилиндр высокого давления внутри рамы. Пар, образующийся в цилиндрической части котла, устремляется также через регулятор в паровом колпаке в перегревательные трубки, которые помещены в верхней части жаровых труб. На пути из коробки пароперегревателя к обоим наружным цилиндрам низкого давлении высоко перегретый пар низкого давления смешивается с паром из цилиндра высокого давления, благодаря этому средняя температура пара, входящего в цилиндры низкого давления, составляет 300—330°С. По окончании рабочего процесса пар из цилиндров низкого давления выходит в трубу через конус.

Для питания котла низкого давления служит насос с подогревателем. В качестве резерва служит обыкновенный инжектор. Котёл высокого давления снабжается водой из котла низкого давления помощью насоса.

Далее имеется также инжектор для котла высокого давления, чтобы питать его из тендера.

Огневая поверхность нагрева топки 19,7 м²; труб – 122,0 м²; полная поверхность нагрева котла 141,7 м²; поверхность перегревателя 90,5 м².

Общество Siemens-Schuckertwerke, заинтересованное в патентах Бензона, решило поставить у себя котёл производительностью 10000 кг пара в час и турбину с рабочим давлением пара 100 ат. Старый котёл Борзига с наклонными трубами на 13 ат давления, имеющими 305 м2 поверхности нагрева, был поднят и под ним был установлен котёл Бензона. Это имело целью выяснить возможность применении котла Борзига в виде подогревателя воды и дать возможность использования наличных котлов низкого давления при переходе на пар высокого давления.

Котел Бензона состоит на горизонтальных змеевиков, составленных из коротких, прямых труб диаметром 20/32 мм, соединённых между собой дугообразными трубами, сваренными с ними внахлестку. Котёл поверхносью нагрева 216 м² разделён на три секции: испаритель и два перегревателя. Испаритель расположен над самой топкой; в нём вода нагревается до 370—380°C, смотря по нагрузке котла. Получаемая сильно перегретая вола или слабо перегретый пар критического давления поступает в верхний перегреватель. Из него перегретый до 400°C пар критического давления поступает в редукционный клапан, в котором давление снижается до 100 ат, после чего пар вновь перегревается до 400°C в нижнем перегревателе, в таком виде он поступает в турбину. Таким образом, в этом котле нарушен принцип противотока.

Котёл Бензона на 10000 кг пара.

Котёл Бензона на 10000 кг пара. Разрез A – B.

a – испаритель; b – верхний перегреватель; c – нижний перегреватель; d – перепускные клапаны.

Котёл Бензона на 10000 кг пара. Разрез C – D.

Секции испарителя и нижнего перегревателя занимают по ¹/₅, а верхнего перегревателя – ²/₅ общей поверхности нагрева. Для простоты все три секции состоят из 15 одинаковых змеевиков, составленных, в свою очередь, каждый из трёх отдельных витков, расположенных так, что их впускные и выпускные фланцы находятся друг над другом. Витки эти соединяются между собой последовательно, а в каждой секции отдельные змеевики соединяются параллельно с помощью труб, имеющих внутренний диамиаметр 70 мм с ввинченными и вваренными штуцерами 20 мм внутреннего диаметра. Так как в секциях испарителя и нижнего перегревателя по три, а в секции верхнего перегревателя девять змеевиков, то для прохода воды и пара служат в секциях испарителя и нижнего перегревателя по три, а в секции верхнего перегревателя девять труб.

Змеевик для котла Бензона.

Котёл Бензона с 15 змеевиками.

Все отдельные змеевики лежат свободно в железных подставках, поэтому они могут свободно расширяться. Фланцы свободно навинчиваются на трубы и свинчиваются длинными болтами с пружинными подкладками под гайками; подкладки эти должны сохранять упругость до 450°C.

Благодаря этой конструкции получается абсолютная плотность соединений труб, несмотря на сильные колебания температуры.

Арматура котла состоит из двух створных клапанов на питательной и паровыпускной трубах, двух предохранительных клапанов на 100 и 230 ат и двух перепускных клапанов для обеспечения одинаковых давлений в секциях испарителя и верхнего перегревателя. Один из них ручной, а другой – автоматический.

Питательный насос высокого давления трёхскальчатый, работает от электромотора постоянного тока. Все три скалки работают параллельно, подавая воду пол давлением 235 ат. Вода поступает в насос из котла Борзига при температуре 180—190°C.

Для непрерывного наблюдения над работой установки имеются следующие приспособления:

1) на питательных трубах обоих котлов Бензона и Борзига поставлены водомеры Вентури;

2) на паропроводе к турбине парометр Вентури;

3) в разных концах котла включены медно-константановые термоэлементы и места эти соединены с манометрами;

4) отдельные ступени турбины соединены с манометрами.

Профессор Леффлер создал совершенно новый тип котлов высокого давления, резко отличающийся от существующих. Котлы Бензона тоже резко отличаются от остальных систем, но в них сохранена основная черта всех паровых котлов: передача тепла пару происходит главным образом в самом котле, а перегреватель и подогреватель воды играют второстепенную роль. Между тем, в котлах Леффлера передача теплоты происходит исключительно в перегревателе и подогревателе воды, а испаритель вынесен из сферы огня, и испарение производится в нём перегретым паром. Как видно из схематического чертежа, перегретый пар частью отводится в общий паропровод, частью поступает в испаритель, где он, проходя через воду, отдает ей свою теплоту перегрева и происходит парообразование; пар проходит через небольшой слой воды, всего в несколько сантиметров, отчего остаётся сухим. Если давление пара 120 ат, а температура перегрева 450°С то теплота перегрева равна 125 кал/кг; если, поэтому, вода подогревается до кипения, то 1 кг перегретого пара может испарить 0,4 кг воды, так как при 120 ат теплота испарения равна 300 кал/кг. Для получения 1 кг рабочего пара нужно прогонять чрез перегреватель 3,5 кг насыщенного пара или, другими словами, из 3,5 кг перегретого пара приходится 2,5 кг отводить обратно в испаритель. Для растопки берут пар из общего паропровода или из специального котла, при этом не требуется пар рабочего давления, а достаточно установить в испарителе любое давление и, действительно, в пробном котле растопка производилась паром в 12 ат, после чего начинался перегрев пара.

Схематический чертёж котла Леффлера.

Котёл состоит из испарителя k, перегревателя пара и, подогревателя воды v и двух насосов s и p. Питательный насос s нагнетает воду через подогреватель в нижнюю часть испарителя. Давление в испарителе всегда несколько ниже, чем в перегревателе, а потому приходится перекачивать пар в последний насосом p.

На Венском паровозостроительном заводе во Флорисдорфе был установлен небольшой пробный котёл производительностью 300 кг пара в час. Давление пара 100—120 ат, а температура перегрева 450—500°C, но временами доходила до 600°C. Из финансовых соображений при котле не установлен двигатель высокого давления, а пар отводился в общий паропровод силовой станции завода, работающей с давлением 12 ат. Скорость насоса для перекачки пара в перегреватель может регулироваться в широких пределах до 230 об/мин в зависимости от изменения нагрузки котла. Испаритель изготовлен по проекту Леффлера в Дюссельдорфе из мартеновской стали по совершенно новому способу; он состоит из тянутой трубы с ввинченными плоскими днищами. Так как испаритель не зависит от топки, то он может быть поставлен в любом месте и не требует высоких подмосток. Во Флорисдорфе он установлен на уровне пола. Испаритель, насос и паропровод тщательно покрыты стеклянной ватой и обмазаны. Топка нефтяная – для возможности точного учёта расхода топлива. Стенки дымоходов вдоль перегревателя сделаны из толстых шамотных плит для лучшего отражения теплоты.

Котёл пущен в ход в декабре 1924 г., а затем подвергся тщательным испытаниям, работая регулярно по 6—9 часов в день. При этом не оказалось никаких затруднений. Трубки перегревателя оказались совершенно чистые, без накипи, а равно не было деформации перегревателя, хотя котёл ежедневно останавливался и перегреватель успевал за ночь остыть. Растопка производилась паром (с давлением 12 ат) из общего паропровода, а дальнейшая растопка до полного рабочего давления длилась 1,5 ч.

Достоинства этой системы парогенерации проверены в многолетней эксплуатационной практике в стационарной силовой установке в Вене (Австрия) и Витковицах (Германия), что и явилось побудительным мотивом к использованию её в качестве локомотивной установки.

В 1936 г. в Германии на заводе Schwartzkopf с котлом этой системы построен трёхцилиндровый паровоз двойного давления (120 и 15 ат) типа      2—3—1. Это первый опыт применения котлов Леффлера в локомотивостроении. До этого паровозы с системой такого типа не строились.

Внешний вид паровоза Schwartzkopf – Леффлера. Фото из книги Ф. Я. Славгородского.

Особенностью системы являются, во-первых, генерация пара в бестопочном котле – так называемом котле-испарителе и, во-вторых, принудительная циркуляция пара высокого давления по двум параллельным замкнутым контурам.

Установка состоит из

– котла-испарителя высокого давления;

Котёл-испаритель со снятой крышкой лаза. Фото из книги

Ф. Я. Славгородского.

– топочной камеры, образуемой так называемой первой системой пароперегревательных трубок небольшого диаметра, присоединённых к горизонтальным коллекторам, располагаемым по обеим сторонам топки; в этой системе происходит первая стадия перегрева;

– второй системы такого же диаметра пароперегревательных трубок, устанавливаемой впереди первой и последовательно с ней соединённой; в ней происходит вторая стадия перегрева пара;

– промежуточного пароперегревателя низкого давления – 15,5 ат;

– водоподогревателя высокого давления;

– воздухоподогревателя, обеспечивающего подогрев поступающего в топку воздуха до 150°C;

– котла-теплобменника, в котором происходит подогрев поступающей из тендера воды, а также генерация пара низкого давления за счёт использования теплоты отработавшего пара высокого давления;

– водопитательных и пароциркуляционных насосов;

Паровой циркуляционный насос. Фото из книги Ф. Я. Славгородского.

– прочего оборудования и аппаратуры (маслоотделителя, пеноотделителя, турбогенератора и т. д.).

Принципиальная схема паровозной котельной установки

системы Леффлера. Фото из книги Ф. Я. Славгородского.

Генерируемый в котле-испарителе Е пар давлением 120 am нагнетается насосом F в трубчатую пароперегревательную систему A, омываемую топочными газами. Перегревшись здесь до температуры примерно 500°С, пар уходит далее и разветвляется – частично (примерно 25%) идёт в цилиндры высокого давления J, L , а остальная часть – в котёл-испаритель. Отработав в цилиндрах высокого давления, пар под давлением примерно 18 am проходит через маслоотделитель и поступает в трубчатую систему котла-теплообменника H. Отдав свою теплоту воде котла-теплообменника (которая превращается в пар давлением 15,5 am), пар конденсируется, после чего стекает в коллектор и питательным насосом G подаётся в котёл-испаритель, предварительно пройдя через водоподогреватель высокого давления С. Ответвившаяся часть пара (примерно 75%) поступает в воду котла-испарителя (через погружённую трубку с отверстиями) и отдаёт своё тепло на её испарение при давлении 120 am. Этот пар перекачивается циркуляционным насосом F вновь в пароперегревательную систему, и цикл повторяется снова. Потеря воды от утечек в контуре высокого давления пополняется за счёт воды из котла-теплообменника при помощи перепускного насоса. Генерируемый в котле-теплобменнике пар под давлением 15,5 am идёт в перегреватель B, перегревается там за счёт топочных газов (омывающих последовательно пароперегреватель высокого давления А, перегреватель В, водоподогреватель высокого давления С и воздухоподогреватель D) до температуры 300°С, проходит в цилиндр низкого давления К и, отработав, уходит через конус в атмосферу, создавая тягу в топочном пространстве. 

Подготовка паровоза к работе резко отличается от обычной и происходит в следующем порядке.

Готовый пар обычного низкого давления (от находящегося под паром паровоза или из магистрального паропровода в депо) подаётся в котёл-испаритель, а также в цилиндры циркуляционного насосного агрегата. Последний начинает перекачивать пар из котла-испарителя по замкнутому контуру в котёл-теплообменник, где начинает испарять за счёт своего тепла воду. После того как давление пара в котле-теплообменнике достигнет 15,5 ат, подвод пара извне к насосу прекращается, и циркуляционный насос продолжает работать уже своим паром; одновременно в топке разводится огонь. Через определённый промежуток времени, когда давление пара в трубчатой системе доводится за счёт топочных газов до 120 ат, подвод пара извне в котёл-испаритель прекращается, и система начинает работать по нормальному циклу.

В случае отсутствия готового пара «растопка» котла может быть осуществлена вспомогательной нагревательной установкой, при помощи которой подогревается вода в котле-теплообменнике, и полученным таким образом паром низкого давления «заряжают» котёл-испаритель. После этого разводится огонь в топочной камере и система переводится на работу по нормальному циклу.

При непродолжительных стоянках (например, в оборотном депо) давление пара в котле-испарителе обычно бывает вполне достаточным для «растопки» котла своим паром без подвода его извне.

Мощность, затрачиваемая на работу циркуляционных насосов в замкнутом контуре высокого давления, составляет примерно 2% от мощности, развиваемой локомотивом.

Наличие в пapoгенераторной системе Леффлера двух контуров (высокого и низкого давления), по мнению самого Леффлера, не обязательно, и в данной схеме они приняты как некоторая страховка от возможного накипеобразовання в элементах и частях контура низкого давления. Леффлер считал, что при столь высокой скорости циркуляции воды через водоподогреватель высокого давления осаждение котельного камня в барабане котла-испарителя мало вероятно и что если бы оно даже имело место, то особо вредных последствий от этого не было бы, поскольку топочные газы совершенно не соприкасаются со стенками барабана котла-испарителя. Представляется поэтому возможность значительно упростить тепловую схему парогенераторной установки за счёт упразднения котла-теплообменника, промежуточного пароперегреватсля и прочего относящегося к ним оборудования и устройств. В этом случае отработавший в цилиндрах высокого давления пар можно было бы направлять в цилиндры низкого давления, предварительно пропустив его через маслоотделитель.

Предполагалось, что значительное усложнение конструкции стандартного паровоза не должно вызвать особого повышения в расходах по содержанию и ремонту котельной установки, во-первых, потому, что вся трубчатая система выполнена из прямых трубок, и, во-вторых, наиболее дорогая часть установки – котёл-испаритель высокого давления никакого ремонта вообще не требует.

В отношении степени безопасности котельная установка системы Леффлера, по мнению её автора, не только не уступает стандартному котлу, но в известном отношении даёт больше гарантий. Во-первых, трубчатые системы обоих контуров выполнены из трубок малого диаметра – тем самым сводятся до минимума разрушительные последствия взрыва, если бы таковой произошёл, во-вторых,  стенки бестопочного котла-испарителя, как не имеющие трубочных соединений, гарантируют большую его прочность.

Конденсаторы. Для более полного использования теплоперепада в турбине, экономии воды, а в некоторых случаях и топлива на паротурбовозах целесообразно применять конденсацию пара. Существуют смешивающая и поверхностная системы конденсации. На паротурбовозах смешивающая система трудно осуществима из-за громадного запаса охлаждающей воды, которую требуется возить с собой. Поэтому на локомотивах применяется поверхностная конденсация. При этом отработавший в турбине пар охлаждается воздухом или водой. В последнем случае происходит циркуляция охлаждающей воды, которая после нагревания отработавшим паром охлаждается в холодильнике; при этом образующийся из пара конденсат служит для питания котла.

Значительные сопротивления передаче тепла оказывает слой жидкого конденсата, обволакивающего охлаждающие трубки ввиду плохой теплопроводности охлаждающей воды.

Стремление удалить этот слой привело французского конструктора Жинабá к идее изменённого расположения трубок в противоположность обычному (шахматному) расположению. При расположении Жинабá падающие капли конденсата обтекают лишь часть поверхности трубок, отчего уменьшается сопротивление прохождению тепла. В системе Жинабá стекающий конденсат омывает лишь четвёртую часть окружности трубок, так что пар встречает на своём пути чистую металлическую охлаждающую поверхность, что существенно улучшает условия теплопередачи и конденсации. Система Жинабá позволяет сократить охлаждающую поверхность на 20—35%. Усовершенствованная система Жинабá изготавливалась заводом Balcke.

Конденсатор Жинабá производительностью 16000 кг пара в час.

Здесь обращает на себя внимание малое количество трубок, объясняемое их большим тепловым напряжением.

Обычно принято разделять ток воды на две или три последовательно соединённые секции. Этим достигается увеличение скорости воды и создаются благоприятные условия охлаждения пара и воздуха, попадающего в конденсат вместе с паром (воздух охлаждается наиболее интенсивно в нижней части, откуда производится его отвод).

Последовательно соединённые секции конденсатора.

Обыкновенные формы конденсаторов круглого и овального сечения не являются удовлетворительными, так как не осуществляют необходимого для получения большой скорости воздуха быстрого сокращения сечений. С этой точки зрения заслуживают внимания конденсаторы треугольной формы, нашедшие большое распространение в турбинных установках.

Конденсатор треугольной формы.

Для предохранения конденсата от чрезмерного охлаждения нижняя часть трубчатой охлаждающей батареи отделяется щитом, по которому конденсат стекает непосредственно к месту его отвода. В то же время воздух проходит через отдельную часть трубчатой батареи и интенсивно в ней охлаждается. С целью быстрого стока конденсата и получения наибольших скоростей воздуха в конденсаторах устанавливают иногда направляющие щиты.

Наконец, существуют системы, в которых сток конденсата производится секционно таким образом, что сконденсированный на верхних элементах пар стекает вниз, не соприкасаясь вовсе с остальной частью трубчатой батареи.

Конденсаторы с направляющими щитами (слева) и секционным стоком конденсата (справа).

В системе Contraflo впуск пара устроен таким образом, что пар при входе распространяется по всей окружности холодильника, встречая сразу исключительно большую охлаждающую поверхность. Трубки конденсатора расположены таким образом, что живое сечение их для прохода воздуха по направлению к концу конденсатора непрерывно уменьшается. Для направления воздуха внутри конденсатора установлены направляющие щиты, расположенные так, чтобы они оказывали наименьшее сопротивление протеканию воздуха и пара. Конденсируемый пар падает в виде дождя на перегородки, по которым стекает вниз без значительного переохлаждения.

Конденсатор Contraflo.

Конденсатор системы Парсонса осуществляет одну из форм так называемых регенеративных конденсаторов. В этом случае в средней части конденсатора устроен свободный проход, по которому пар достигает беспрепятственно нижней части холодильника и только после этого, поднимаясь по бокам вверх, встречает охлаждающую поверхность. Таким образом течение пара имеет здесь обратный характер по отношению к обычно принятому. Охлаждающая же вода поступает сперва в верхние трубки и затем в нижние.

Вследствие такого расположения стекающий вниз конденсат встречает восходящий поток тёплого пара и, достигнув дна холодильника, нагревается до теоретически наивысшей возможной температуры. С другой стороны, воздух, забираемый у наивысшей точки конденсатора, принимает наинизшую возможную температуру, почти равную температуре охлаждающей воды.

Конденсатор Парсонса.

Конструкция регенеративного конденсатора Вира.

Пар поступает свободно вниз через средний свободный проход С и затем поднимается вверх вдоль внутренней перегородки D до точки Е, где забирается воздух. Стекающий вниз конденсат встречает поток пара и нагревается последним. Конденсат отбирается в нижней части у патрубка F, охлаждающая же вода входит через патрубок G.

Особенностью конденсатора Brown Boveri является разделение его продольной диаметральной перегородкой на две части. Каждая из них может быть вскрыта во время работы для очистки или уплотнения трубок. Завод гарантирует увеличение теплопередачи по сравнению с обычными конструкциями на 20—30% и повышение температуры конденсата на 5—8° при температуре воздуха, почти равной температуре охлаждющей воды.

Конденсатор завода Brown Boveri. Разрез по передней водяной камере (слева) и по паровой полости конденсатора (справа).

Охлаждающая вода поступает снизу в наружные трубки и выходит вверх, проходя в обратном направлении внутренние ряды трубок. Пар вступает в среднюю часть конденсатора сверху и по свободному каналу проходит внутрь, откуда распространяется по горизонтальному направлению вправо и влево. Осадившийся на трубках конденсат стекает вниз, встречая на пути почти одинаковую температуру трубок и тёплого пара, чем также осуществляется принцип регенеративного нагрева.

Общий вид конденсатора Brown Boveri с одной открытой половиной.

Для удаления из холодильника воздуха и конденсата применяются две основные системы насосов: так называемые мокровоздушные насосы и отдельные насосы для конденсата и воздуха (последние называют сухими).

Насосы первой системы откачивают одновременно воздух и конденсат, стекающий к всасывающим клапанам, располагаемым настолько низко, чтобы клапаны были совершенно залиты водой (что необходимо ввиду плохой всасывающей способности насосов при низких давлениях).

Насос Эдвардса имеет лишь нагнетательные клапаны. Вместо всасывающих клапанов в нижней части цилиндра насоса устроены окна, через которые при нижнем положении поршня цилиндр наполняется как воздухом, так и конденсатом.

Насосы Эдвардса строятся как приводные от главной машины, так и с самостоятельными паровыми двигателями, снабжёнными достаточно тяжёлыми маховиками.

Насосы Эдвардса с самостоятельными двигателями строятся на частоту вращения 200—300 об/мин. В этих насосах должна быть предусмотрена возможность сообщения обеих полостей, что необходимо во избежание слишком тяжёлого хода в начальный период работы, когда в холодильнике находится большое количество воды.

Насос Эдвардса.

Дуаль-помпа Вира применяется в крупных установках, требующих повышенного вакуума, и является отдельной от главной машины. Она состоит из двух цилиндров, оба насосных поршня имеют взаимно противоположное движение.

Насос Вира.

Один из цилиндров А служит сухим насосом и откачивает насыщенный паром воздух, а второй В служит мокровоздушным насосом.

Преимуществом насоса Вира служит раздельный забор воздуха и конденсата при выгодных температурах с избежанием чрезмерного переохлаждения конденсата.

Для паровых установок, требующих повышенного вакуума, для удаления воздуха, применяются системы так называемых пароструйных или эжекторных воздушных насосов.

Пароструйный насос с промежуточным конденсатором.

Насыщенный паром воздух отводится из главного конденсатора С по трубе В и проникает к смешивающей камере эжектора А₁. В ту же камеру через расширяющееся сопло поступает свежий пар (через трубку М), достигающий при выходе из сопла давления холодильника и высокой скорости. Далее, смешиваясь с поступающей через трубку В паровоздушной смесью, общая масса воздуха и пара удаляется через сопло или диффузор п, в котором происходит сжатие смеси, сопровождаемое повышением давления примерно до 0,2 ата. Смесь поступает при этом давлении в промежуточный конденсатор D, охлаждающей водой для которого служит конденсат главного холодильника (последний откачивается через патрубок К особым центробежным конденсационным насосом). В холодильнике бо`льшая часть пара осаждается, и образованный таким образом конденсат поступает по трубе Е обратно в главный холодильник. Уровень воды в трубке Е, обозначенный на эскизе высотой h, определяется разностью давлений в промежуточном и главном конденсаторах. Сжатая до промежуточного давления паровоздушная смесь засасывается через трубку О вторым паровым эжектором A₂ и окончательно поступает во второй промежуточный холодильник G, в котором поддерживается атмосферное давление. Этот второй холодильник охлаждается также конденсатом главного холодильника, поступающим через трубку N₁ и удаляемым в тёплый ящик через трубку N₂; доведённый же до атмосферного давления воздух удаляется наружу через атмосферную трубку Н. В приведённой схеме теплота пара, расходуемого на эжекторе используется для подогрева конденсата, что делает всю установку весьма экономичной.

Двухступенчатый эжектор с промежуточным конденсатором.

Конструкция двухступенчатого эжектора с промежуточным

конденсатором системы Balcke.

Комплект конденсационной установки завода Balcke с пароструйными эжекторами и промежуточным конденсатором.

В нижней части под главным холодильником виден центробежный конденсационный насос.

Эжектор без промежуточного конденсатора.

Пароструйные эжекторы применяются двухступенчатого типа, без промежуточного конденсатора, либо с последним. В эжекторе без промежуточного конденсатора вторичное сопло образовано кольцевой щелью между обоими диффузорами. Первый диффузор не имеет расширения, т. к. остающаяся неиспользованной в нём энергия пара используется в следующем, втором, диффузоре.

Кольцевая щель вторичного сопла может регулироваться при сборке эжектора постановкой прокладок.

Из современных систем следует отметить пароэжекторные вакуумные насосы (ПЭВН) Научно-производственного объединения «Энергомашавтоматика», поддерживающие относительно глубокий вакуум (0,5 – 5,0 мм рт. ст.). Они имеют обычно от четырёх до шести газоструйных аппаратов (ступеней), включенных последовательно по эжектируемой парогазовой смеси. Для снижения суммарного расхода рабочего пара на ПЭВН за струйным аппаратом устанавливается теплообменник-конденсатор, в котором бóльшая часть расхода пара, выходящего из этого струйного аппарата, конденсируется и благодаря этому к струйному аппарату следующей ступени поступает меньший расход эжектируемой (пассивной) парогазовой смеси; соответственно, на её сжатие тратится меньше рабочего пара.

В зависимости от условий работы ПЭВН его теплообменники-конденсаторы могут быть различного типа. Часто в эжектируемой смеси находятся вещества, которые могут загрязнять охлаждающую воду, циркулирующую через теплообменники-конденсаторы, и ПЭВН целесообразно комплектовать кожухотрубными теплообменниками-конденсаторами. Когда в составе эжектируемой смеси нет загрязняющих веществ, ПЭВН могут оснащаться смешивающими теплообменниками-конденсаторами или водогазовым струйным аппаратом. Причём в последнем случае водогазовый струйный аппарат заменяет как все смешивающие теплообменники-конденсаторы, так и три последних струйных аппарата.

ПЭВН с кожухотрубными теплообменниками-конденсаторами значительно сложнее и дороже, чем ПЭВН со смешивающими теплообменниками-конденсаторами или водогазовым струйным аппаратом. Однако использование такого типа ПЭВН позволяет исключить необходимость очистки (требуемой в случае использования ПЭВН со смешивающими теплообменниками-конденсаторами) большого количества загрязнённой воды.

Пароэжекторный вакуумный насос НПО «Энергомашавтоматика».

В качастве холодильных машин в вакуумных системах конденсации используются абсорбционные холодильные установки. Широкое распространение получили водоаммиачные холодильные машины, но для размещения на турбовозе они слишком велики из-за больших размеров ректификатора. Для турбовозов более подходят бромистолитиевые абсорбционные холодильники.

Принцип действия абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (АБХМ) основан на способности водного раствора бромистого лития поглощать (абсорбировать) более холодные водяные пары с выделением теплоты. Процессы, происходящие в машине, имеют следующие особенности:

– холодильным агентом является вода, поглотителем бромистый литий, поэтому получение холодильного действия связано с работой под глубоким вакуумом;

– холодильный агент и поглотитель несоиспаримы, поэтому процессы в конденсаторе и испарителе осуществляются чистым водяным паром и водой;

– концентрация раствора определяется не по холодильному агенту, а по бромистому литию.

Охлаждаемая вода поступает в трубное пространство испарителя, где охлаждается до необходимой температуры за счёт испарения хладагента – воды, стекающей в виде плёнки по наружным поверхностям труб испарителя. Для орошения трубного пучка испарителя используется циркуляционный насос хладагента.

Водяной пар с температурой 2—4°С из испарителя поступает в межтрубное пространство абсорбера, где поглощается в нём крепким (концентрированным) водным раствором бромистого лития, стекающего в виде плёнки по поверхностям труб. Теплота, выделяемая при абсорбции пара, отводится охлаждающей водой, протекающей в трубках абсорбера.

Поглощая пар хладагента, крепкий раствор бромистого лития становится слабым – его концентрация снижается. Слабый раствор стекает в поддон абсорбера, откуда насосом подаётся в трубное пространство растворного теплообменника.

После подогрева в теплообменнике слабый раствор поступает в межтрубное пространство генератора. В генераторе слабый раствор бромистого лития упаривается за счёт теплоты греющей среды, поступающей в трубное пространство генератора.

Упаренный (крепкий) раствор из генератора поступает в межтрубное пространство регенеративного теплообменника, где охлаждается слабым раствором и далее направляется на орошение абсорбера.

С помощью насоса слабый раствор из абсорбера через теплообменник растворов подаётся в генератор, где в результате нагрева происходит процесс десорбции – разделение раствора с выделением водяного пара.

Образующийся в генераторе водяной пар поступает в конденсатор, где конденсируется на внешней поверхности теплообменных труб. В конденсаторе за счёт охлаждения водой происходит сжижение водяного пара и конденсат пара (хладагент) через регулирующий вентиль (гидрозатвор) поступает в испаритель.  Теплота конденсации водяного пара отводится охлаждающей водой, протекающей через трубы конденсатора.

Схема абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины.

1 – генератор; 2 – абсорбер; 3 – теплообменник; 4 – конденсатор; 5 – испаритель; 6 – насос.

При снижении давления из распылённого потока воды в испарителе происходит испарение части её массы, за счёт чего охлаждается остальная часть, которая, в свою очередь, охлаждает промежуточный хладоноситель.

Отличительные особенности рабочей схемы от теоретической заключаются в следующем:

– в рабочей схеме и действительном цикле учитывается влияние глубокого вакуума, который устанавливается в аппаратах; глубокий вакуум усиливает влияние гидростатического давления столба жидкости, характерного для аппаратов затопленного типа; давление кипения и абсорбции при этом переменны по высоте аппарата, в связи с чем наблюдается недовыпаривание в генераторе и недонасыщение раствора в абсорбере;

– получение холодильного действия при использовании в качестве холодильного агента воды связано с большими объёмами пара, переходящего из одного аппарата в другой, что обуславливает большие потери давления на преодоление гидравлического сопротивления соединяющих трубопроводов;

– в действительной холодильной машине наблюдаются потери тепла в окружающую среду.

Перечисленные выше отличительные особенности определяют конструктивное решение рабочей схемы бромистолитиевой абсорбционной холодильной машины.

Рабочая схема абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с аппаратами затопленного типа.

1 – генератор-конденсатор; 2 – испаритель-абсорбер; 3 – теплообменник растворов; 4, 5, 6 – насосы.

Для уменьшения влияния гидравлического сопротивления соединительных трубопроводов аппараты холодильной машины попарно объединены в одном корпусе: генератор с конденсатором, абсорбер с испарителем.

При кипении раствора в генераторе влияние гидростатического давления столба жидкости сохраняется, поэтому наблюдается недовыпаривание.

Наличие конечной скорости абсорбции, ограничения поверхности и времени контакта фаз в абсорбере обуславливают недонасыщение.

Предельное значение концентрации крепкого раствора – 64%. При бóльших значениях концентрации начинается кристаллизация бромистого лития.

Абсорбционная холодильная машина представляет собой сложную термодинамическую систему, состоящую из контуров раствора и хладагента.

Наиболее сложным является контур раствора. В АБХМ этот контур состоит из абсорбера, рекуперативного теплообменника и генератора.

В ряде абсорбционных бромистолитиевых машин, разработанных ВНИИ Холодмаш, применены совмещённые абсорбер и генератор.

В холодильной машине АБХМ-6000 использованы совмещённый генератор и раздельный абсорбер на базе кожухотрубных аппаратов.

При образовании циклов из раздельных процессов для их осуществления можно применить более эффективные пластинчатые теплообменные аппараты с меньшими массогабаритными показателями, чем у кожухотрубных.

Холодильная машина АБХМ-П-10 ООО «ОКБ Теплосибмаш» с паровым обогревом имеет компактную моноблочную конструкцию. Теплообменные поверхности аппаратов выполнены в виде горизонтальных пучков тонкостенных труб. Теплообменные трубы выполняются из нержавеющих сталей или медно-никелевых сплавов. Каплеотделители, оросительные устройства изготавливаются из нержавеющих сталей. Материал корпусных элементов – качественная углеродистая сталь.

Паровая турбина. Конструктивные формы паровых турбин представляют большей частью смешанные системы; они проектируются со стороны высокого давления как парциальные активные турбины с дисковыми рабочими колёсами, лопатками, одной или многими ступенями давления и двумя (реже тремя) ступенями скорости в каждой ступени давления; со стороны низкого давления – как четырёхступенчатые реактивные турбины или как полные активные турбины со многими ступенями давления (без ступеней скорости).

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.

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.

Турбинный локомотив Maffei T18—1002 с конденсацией пара. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Кроме того, благодаря свойственной котлу Бензона эластичности, приспособляемости к режиму и быстрой готовности к работе, достигаемых лёгким управлением, отоплением угольной пылью, новый локомотив приближался по своим качествам к электровозу, против которого машина с собственной силовой установкой обладает тем большим преимуществом, что не зависит от всех случайностей и возможностей повреждений, которые могут иметь место при передаче энергии на расстояние¹².

Благодаря ничтожно малым расходам воды турболокомотив высокого давления имеет особое значение для стран, бедных водой. Южная Африка для обслуживания своих пустынных дорог имеет поршневые локомотивы с большими запасами воды, являющимися следовательно мёртвым весом. СССР для обслуживания своих безводных степей был вынужден развивать тепловозостроение. Новый турболокомотив с отоплением углём, угольной пылью или нефтью для этих стран мог иметь серьёзное значение. Если он и не достиг термического коэффициента полезного действия дизель-локомотива, зато превзошёл его своей малой построечной стоимостью и возможностью увеличения мощности.

Турбовоз T18—1002 с размерами. Вид сбоку.

Разрез турбовоза T18—1002 по котлу с размерами (в старом ГОСТе). Вид сбоку.

Локомотив Т18—1002 был доставлен в DRG¹³ в марте 1929 г. К 1934 г. локомотив прошел 60000 км. Давление пара было 22,7 ат. Несмотря на более высокое давление в котле, он был менее экономичным, чем локомотив Т18—1001 Круппа.

Турбовоз Маффея был отставлен от работы, когда получил повреждения в результате бомбардировки в 1943 г. Его котёл использовался для испытания предохранительного клапана, пока не был утилизирован в 1961 г.

Паровоз завода Henschel с турбинным бустером на тендере. Использование мятого пара поршневых машин для турбин низкого давления до некоторых пор считалось сложным и практически трудноосуществимым, но позднее французская фирма Rateau применила этот метод для модернизации устаревших паромашинных установок¹⁴.

Турбина мятого пара, установленная на тендере паровоза Henschel.

Вместе с тем завод Henschel в Касселе (Германия) в сотрудничестве с Цёлли применил этот принцип для модернизации паровозов, взяв для опыта прусский паровоз Р8 (Т38). Паровоз снабжён вентилятором Бетца, благодаря которому высасывались газы из дымовой коробки. Вентилятор укреплён на дымовой дверке и приводился в движение непосредственно от маленькой паровой турбины. Мятый же пар двумя боковыми паропроводами на уровне боковых площадок паровоза при помощи гибких труб отводили в тендер, предварительно пропуская через маслоотделители. Далее он поступал в турбину низкого давления, которая приводила в движение ведущие оси тендера.

Локомотив был построен в 1927 г. Сам паровоз был немного модифицирован с добавлением вентиляторной тяги. Поскольку окончательный выхлоп находился под незначительным давлением, исходную дымовую трубу дымовой камеры пришлось заменить на электрический вытяжной вентилятор в дымовой камере. Замена шарового конуса вытяжным приспособлением и установка маслоотделителей – единственное заметное изменение, которым подвергся существующий паровоз. Бóльшая часть нововведения заключалась в тендере. Превращённый в движущий экипаж, он был оснащён сдвоенными ведущими колёсами по схеме 1-2-2 и нёс на себе, кроме запаса угля и воды, турбину низкого давления переднего и заднего хода с передачей к ведущим осям, конденсатор и всю установку для производства вакуума.

Турбина низкого давления сконструирована с тремя ступенями для переднего хода и с одной ступенью для заднего. Давление от 1,1 до 1,4 ат в паропроводах, соединяющих паровую машину с турбиной, поддерживается при всех нагрузках при помощи регулятора давления.

Регулятор давления паровоза Henschel.

КМ – поступление пара от поршневой машины; VT – проход для пара по трём каналам I, II и III в турбину низкого давления переднего хода; RT – проход для пара к турбине низкого давления заднего хода; V – положение при ходе вперед и R – положение при ходе назад. Когда давление в соединительной трубе слегка увеличивается, цилиндрический золотник открывает последовательно три группы упомянутых каналов I, II и III при помощи масляного сервомотора. Турбина низкого давления переднего хода отделена от турбины заднего хода при помощи двухседельного клапана, не пропускающего пар. При перемене хода с переднего на задний одновременно с перекидкой парораспределения поршневой машины производится перестановка клапана изменения хода турбины низкого давления из положения V в положение R. Вследствие этого цилиндрический золотник закрывает три группы каналов, ведущих в турбину низкого давления переднего хода, и двухседельный клапан начинает отжиматься от своих сёдел концом штока цилиндрического золотника, причём противодействующая этому пружина сжимается, и таким образом канал, ведущий к турбине заднего ходя, оказывается открытым. Предохранительные клапаны, размещённые на маслоотделителях, не дают возможности во всех случаях давлению в соединительной трубе сделаться чрезмерно большим, каковое может, например, иметь место в случае полной выкладки при спущенном рычаге у паровой машины.

Турбина низкого давления, как для переднего, так и для заднего хода, приводилась в движение выхлопным паром среднего давления из исходных цилиндров. Конденсатор в тендере создавал разрежение для выхлопных газов турбины, повышая тепловой к.п.д.

Турбина низкого давления, использующая мятый пар, работала при разрежении 80—85%, что предусматривало наличие конденсатора. В конструкции конденсатора Геншель отошёл от общепринятой формы и создал оригинальную модель, в которой совмещены функции поверхностного холодильника и охладителя воды открытого типа с применением искусственной вентиляции. Этот холодильник надо отнести к холодильникам испарительного типа. Пар из турбины низкого давления протекает по четырём группам труб, размещённых параллельно и находящихся в воздушном потоке. Три пропеллера Бетца, расположенные в крыше тендера, всасывают охлаждающий воздух через конденсатор. Образующийся конденсат и воздух удаляются воздушным насосом, размещённым внизу, а циркуляционный насос создаёт циркуляцию охлаждающей воды и подаёт её из нижней части тендерного бака под холодильником в распределительные трубки над каждой группой труб, в которых течёт пар из турбины низкого давления.

Конденсатор паровоза Henschel.

Турбопоршневой паровоз Т38—3255 с конденсацией пара. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

T38 был, по сути, обычным паровозом с поршневым приводом, на котором использовалась вспомогательная турбина низкого давления, установленная на тендере. Турбина, в свою очередь, выпускала пар в конденсатор в задней части тендера, что давало возможность турбине работать эффективнее. Система разработана доктором Цёлли из DRB совместно с производителем Henschel.

Немецкий Henschel T38—2555. Серия производилась в 1927—1938 гг.

Фото с сайта www.yaplakal.com.

Локомотив Т38 с размерами. Вид сбоку. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Большой выхлопной канал от турбины к конденсатору необходим для надлежащей эффективности турбины.

Паровоз Т38 без конического носа, который удерживал вытяжной

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

Задняя часть турбинного тендера Т38. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Два спаренных движущих колеса, соединённых с валом, видны под передней частью тендера.

Передняя часть турбинного тендера Т38 с размерами. Верхний левый рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

В передней части тендера помещались турбина и бункер для угля; в задней части устанавливался конденсатор. Труба внизу справа служит для выхлопа паровой машины локомотива в турбину; большой круглый воздуховод слева – выхлоп турбины в конденсатор.

Поперечное сечение передней части турбинного тендера Т38. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Большой круглый воздуховод в центре представляет собой выхлоп турбины в конденсатор, установленный в задней части тендера.

Система вентиляторной тяги паровоза T38. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

При атаке на лопатки вентилятора Бетца отработавшие газы поворачиваются на 180° изогнутым входным диффузором, а затем направляются под прямым углом вверх в дымоход. Заглушка большого размера, расположенная сразу за вентилятором, является выходным диффузором для повышения эффективности вентилятора. Большое U-образное углубление над вентилятором содержало, вероятно, нагревательный бак питательной воды.

Как и в обыкновенном поверхностном холодильнике, теплота пара передаётся охлаждающей воде, которая, нагревшись, проходит через охладитель. Вода при своём падении создаёт большую поверхность для поднимающегося вверх тока воздуха и таким образом передаёт последнему свою теплоту. Теплота передаётся как непосредственным нагреванием, так и испарением части воды. Опыты, произведённые с этой конструкцией, показали, что необходимая поверхность охлаждения оказалась не больше той, какая потребовалась бы при поверхностном конденсаторе обычного типа с циркуляцией воды.

Турбина низкого давления с её аттрибутами расположена под угольным ящиком тендера. Вспомогательная турбина, питаемая острым паром и расположенная выше выхлоной трубы турбины низкого давления, служила для приведения в движение питательного насоса, трёх вентиляторов и группы насосов, расположенных внизу и состоящих из конденсатного насоса и циркуляционного.

Паровоз Геншель-Цёлли с бустерным тендером успешно выполнил назначенную серию пробных туров, после чего испытательная станция немецких ж. д. в Грюнвальде детально испытала эту машину. Испытания проводились в конце 1927 г., но результаты не обнадеживали. Были сообщения о том, что чрезмерная мощность терялась из-за сопротивления воздуха в турбине заднего хода, что говорило о недостаточном вакууме конденсатора. Поэтому турбина заднего хода была удалена, поскольку локомотив с поршневым двигателем был вполне способен перемещать поезд задним ходом. Также, похоже, были проблемы с избыточным потреблением пара вспомогательным оборудованием – предположительно различными приводами вентиляторов.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Первый турболокомотив был построен в Италии в 1908 г. Будучи неконденсационным, он мало отличался от обычного паровоза и потому не получил распространения. В период после первой мировой войны турболокомотивы начинают строиться в Швеции (Юнгстрем, Юнгстрем Байер, Юнгстрем Нидквист и Гольм, Юнгстрем неконденсационный), в Германии (Крупп-Цёлли, Маффей (1924), Геншель, Геншель – комбинированный), в Швейцарии (Цёлли), в Англии (Рэмси, Рейд-Маклауд), За исключением электропередачи в локомотиве Рэмси все остальные имеют механическую зубчатую передачу. В качестве сцепного веса в некоторых турболокомотивах используется вес тендера, в других вес главного экипажа. В турболокомотиве Рейд-Маклауд и Геншель (комбиннрованный) используется вес тендера и самого локомотива. Примечание А.А Чиркова.

Вернуться

2

При коэффициенте сцепления колеса с рельсом ¹/₅ это соответствует силе тяги по сцеплению, равной 12000 кгс. Примечание А. А. Чиркова.

Вернуться

3

При работе турбины переднего хода вращение турбины обратного хода в вакууме вогнутостям лопаток вперёд вызывает громадную потерю мощности от трения диска о пар и вентиляции (несколько сот лошадиных сил), что заметно понижает относительный коэффициент полезного действия турбины. При заднем ходе однодисковая турбина заднего хода (обычно колесо Кёртиса), вообще имеющая невысокий относительный коэффициент полезного действия, должна проделывать работу трения и вентиляции, вызываемую вращением главной турбины в вакууме. Вполне понятно, что экономичность езды задним ходом весьма низка. По указанию проф. Нордманна расход пара турболокомотивом Круппа при заднем ходе был равен 23 кг/э.л.с.ч. (Z, d.s V. D. I.1030 г. №6. seite 176). Однако конструктивные затруднения с осуществлением зубчатого переключения настолько велики, что большинство строителей турболокомотивов предпочитали всё же первое решение вопроса, мирясь с значительным понижением экономичности. Примечание А. А. Чиркова.

Вернуться

4

Мощность вентиляторной установки в турболокомотиве Юнгстрем Байер около 300 л.с., в то время как у турболокомотива Маффей постройки 1924 г. при оросительном обратном холодильнике она равна ~30 л.с. Примечание А. А. Чиркова.

Вернуться

5

Применено в турболокомотивах Цёлли, Круппа, Маффея (1924). Примечание А. А. Чиркова.

Вернуться

6

Применено в турболокомотивах Геншель, Рейд-Маклауд и Рэмси; кроме того, этот же принцип применён, хотя и в несколько другом виде, в холодильниках советских тепловозов. Однако относительно расположения турбины и конденсатора указание К. Имфельда не совсем точно, так как при холодильниках всех трёх систем обязательно расположение конденсатора и турбины низкого давления на одном экипаже. Это диктуется тем, что создать гибкое соединение между главным экипажем и тендером для отработанного пара при его больших удельных объёмах невозможно. При поверхностных водяных конденсаторах, как это осуществлено в турболокомотивах Цёлли, Kpyппа и др., турбина и конденсатор располагаются на экипаже самого локомотива, а обратный холодильник на тендере, так как устройство гибкого соединения между паровозом и тендером для охлаждающей воды вполне возможно. В турболокомотиве Юнгстрема и др. турбина и поверхностный воздушный конденсатор расположены на тендере. Примечание А. А. Чиркова.

Вернуться

7

Практика уже показала, что в паровозах высокого давления Винтертур и Шмидт наблюдаются расстройства соединения труб с паросборниками; это можно объяснить тем, что при расположении последних наверху при их большом весе при трогании с места и при торможении вызываются большие силы инерции. Примечание А. А. Чиркова.

Вернуться

8

Это утверждение К. Имфельда не совсем верно, так как при отоплении угольной пылью наблюдается сильное образование шлаков на трубчатой поверхности и потому чистка топки неизбежна. Сроки чистки даст конечно только опыт. Примечание А. А. Чиркова.

Вернуться

9

См. выше.

Вернуться

10

По другим данным он построен в 1928 г.

Вернуться

11

При оросительных холодильниках типа Крупп, Маффей (1924) воздух, прогоняемый через дождь охлаждающей воды, увлекает часть воды механически, т. е. в виде капель и брызг, в силу чего это устройство для пассажирских поездов в Европе чрезвычайно нежелательно. Примечание А. А. Чиркова.

Вернуться

12

Не только опасность повреждения передаточных линий является преимуществом локомотивов с собственной силовой установкой. Если сравнивать турболокомотив с электровозом при паровой электроцентрали, то теплотехнически более выгодным будет первый, так как отсутствуют потери на передачу и трансформацию энергии. В случае же гидроэлектроцентрали естественно теплотехническая выгодность на стороне электровозов. Примечание А. А. Чиркова.

Вернуться

13

Deutsche Reichsbahn-Gesellschaft – Общество Германских Имперских железных дорог.

Вернуться

14

Ещё в 1902 г. Рато сделал первые практические применения железо-водяных паровых аккумуляторов в связи с турбинами низкого давления на копях de Bruay, причём установка имела целью использовать выхлопной пар подъёмной машины, работавшей с перерывами, для компенсации которых и потребовались пароаккумуляторы, где колебания давления выхлопного пара получались с 0,9 до 1,15 ат. С той поры такие комбинированные установки получили широкое распространение для утилизации выхлопного пара паровых молотов, прокатных станов, подъёмных рудничных машин и т. д. Одними из ранних комбинаций поршневых машин и паровых турбин низкого давления являются установки на пароходах «Rochambeau» и «L’Olimpic», относящиеся к началу XX в.

Вернуться