Железная дорога

После войны на железной дороге "Юнион Пасифик" стали думать, чем же заменить самые мощные паровозы всех времён и народов "Big Boy".

Ещё в тридцатые железная дорога UP экспериментировала с паротурбовозами, но они оказались технически несовершенны и дорога от экспериментов отказалась.

А теперь выбор пал на газовые турбины.

Мощность турбин была гораздо больше мощности дизелей, весили они меньше.

Да и трущихся частей в турбинах было меньше, чем в дизелях.

Гигантские паровозы "Биг Бой"с двумя паровыми машинами нужны были для того, чтобы таскать поезда через горный хребет Уосатч.

Вероятно, это был самый тяжёлый из участков железной дороги "Юнион Пасифик".

Поэтому, когда век паровозов стал подходить к концу, руководство железной дороги решило заменить их чем-то таким же мощным, но более современным и скоростным.

Выбор пал на газотурбовозы.

Кстати сами американцы называли их сокращённо GTEL (газо-турбо-электрический локомотив). Самым главным недостатком газотурбовозов была необычайная прожорливость турбинных двигателей. Они потребляли топлива примерно в два раза больше тепловозов такой же мощности. Но это не было проблемой для руководства дороги.

Потому что топить новые локомотивы предполагалось дешёвым "мусорным" топливом "Bunker C", по существу мазутом.

И к 1948-му году был готов первый газотурбовоз, плод совместной разработки фирм "Дженерал Электрик" и "АЛКО".

Назвали его GE 101, но вскоре переименовали в UP 50 по имени той железной дороги, где локомотиву предстояло работать.

Новый локомотив походил на все американские тепловозы того времени.

А ещё был он длинным и мощным, опирался на четыре двуосных тележки и имел две кабины. Одну спереди и одну сзади.

Мощность этого чуда техники была 4800 лошадиных сил.

Такая мощность позволяла водить тяжёлые товарные поезда на довольно высокой скорости. UP50 был выкрашен в фирменный цвет "Юнион Пасифик" Armour Yellow(Броневой Жёлтый).

Броневой в смысле защитный.

Кстати цвет этот сохранился на дороге и по сей день.

Эксплуатация первого газотурбовоза выявила и первые трудности.

При любом понижении температуры воздуха "мусорное" топливо превращалось в вязкую как кисель массу, которую топливный насос не мог закачать из бака.

Тогда придумали ,что сначала турбина раскручивалась на обычном дизельном топливе.

От горячих газов начинал работать парогенератор.

Горячим паром топливо разогревалось до температуры в 93 градуса и затем, уже разогретое, поступало в камеру сгорания.

Прожорливые турбины требовали много топлива и стандартного бака в двадцать с чем-то тысяч литров, расположенного между тележками локомотива уже не хватало.

Чтобы не заправлять газотурбовозы слишком часто, сзади локомотива стали цеплять цистерну с мазутом, переделанную из паровозного тендера. Вместимость этого тендера была более чем вчетверо больше.

На более новых машинах, появившихся после первого UP 50, заднюю кабину убрали. И тендер с мазутом стали цеплять между двумя локомотивами, которые смотрели в разные стороны.

А ещё турбина была малоэффективна при маневрах или при поездках локомотива без нагрузки. Но даже, развивая малую силу тяги, она поглощала всё так же много топлива.

Поэтому для езды с небольшой нагрузкой применялся дополнительный маломощный дизель.

Опыт эксплуатации газотурбовозов на UP признали удачным и на смену первому их поколению пришло второе.

У локомотивов первого поколения прозвища не было. А вот второму поколению такое прозвище люди приклеили. И это прозвище было - "веранда".

По-английски это слово пишется точно также, как по русски -veranda.

Почему веранда, можно понять, взглянув на фото локомотива.

По боку его, от кабины, почти до самой задней части шёл своеобразный "мостик", прикрытый сверху крышей.

Потому и веранда.

"Веранды" не отличались по мощности от локомотивов предыдущего поколения.

И их также использовали с прицепами-тендерами. Ещё одной трудностью эксплуатации стало то, что в туннелях турбинам не хватало воздуха.

У них случалось то, что называют "срыв пламени". То есть в туннелях турбины гасли. Тогда на тех участках, где были туннели к газотурбовозу цепляли дополнительный тепловоз. Два разных локомотива работали по системе многих единиц, то есть управлялись одной бригадой из кабины газотурбовоза.

А на этом фото "Веранда" и "Биг Бой" тянут один состав. Кстати газотурбовозов первого и второго поколения было построено 25 штук.

19 из них работали в тандеме с тепловозами.

Имея уже более чем пятилетний опыт эксплуатации газотурбовозов, дорога Юнион-Пасифик в конце 1955 г. выдала фирмам Дженерал-Электрик и Алко новый заказ на постройку партии газотурбовозов.

Однако речь пошла о локомотивах значительно большей мощности.

При той же схеме силовой установки мощность на валу двигателя была увеличена до 8 500 л. с. (на высоте 1 829 м над уровнем моря и температуре наружного воздуха 32°C); на уровне моря мощность двигателя достигала 10 700 л. с.

Газотурбовозы имели две силовые секции и прицепной топливный тендер.

В первой секции был размещен вспомогательный шестицилиндровый дизель мощностью 1 000 л. с., под рамой секции расположен запас дизельного топлива (около 9,5 т).

Секция полностью автономна и могла работать на маневрах и малых нагрузках локомотива.

Во второй, главной секции была сосредоточена основная силовая установка: ГТД, электрические генераторы с возбудителями и вентиляторами.

Общая длина локомотива 40,4 м, кузов каждой секции установлен на двух трехосных тележках, все оси которых имеют тяговые электродвигатели.

Прогресс не стоял на месте и в 1958-м году появилсь локомотивы третьего поколения.

Их называли "Big Blow". Это можно перевести как "Большой порыв(ветра)", "Большое дуновение", иногда переводят как "Большой удар".

Газотурбовозов третьего поколения было построено сорок. А всего их было построено - и первого, и второго, и третьего поколений 65.

И эти шестьдесят пять обеспечивали десять процентов грузооборота огромной железной дороги "Юнион Пасифик".

Были на этой дороге и попытки перевести газотурбовозы на другие виды топлива.

Схема тут такая же. Головная часть с дизелем.

Она кстати была переделана из красивого и быстрого тепловоза "ALCO PA1".

Ну и опять-таки тендер, только уже классический, угольный.

Кстати громадная турбинная часть покоится на шасси списанного электровоза "Маленький Джо".

Такие электровозы США планировали после войны поставлять в СССР.

Но начавшаяся Холодная война помешала этому проекту.

Есть версия, что электровоз назвали "Маленький Джо" в честь Сталина.

Эта машина получила в народе прозвание "Сороконожка".

Работали газотурбовозы, работали до самых семидесятых годов.

И разработали бы, может быть и четвёртое, и пятое поколение этих машин. Но... Сгубило их вот что.

Тот самый "мусорный" мазут вдруг резко подскочил в цене. Из него стали извлекать что-то нужное для производства пластика и спрос на него увеличился.

Работать на дорогом мазуте стало невыгодно.

И газотурбовозы частью пошли под нож, а частью быди переделаны в тепловозы. Теперь они сохранились только в музеях, и то, только третье поколение.

Газотурбинный двигатель локомотива был простейший одновальный, передача электрическая постоянного тока.

Газотурбовоз № 50, работая на железной дороге Юнион-Пасифик, показал вполне удовлетворительные результаты эксплуатации, и дорогой было решено выдать фирмам заказ на постройку 25 газотурбовозов.

В 1952 г. дорога получила первые 10 газотурбовозов № 51—60, а к концу 1954 г. — остальные 15 локомотивов.

Средний эксплуатационный к. п. д. газотурбовозов даже при хорошей организации эксплуатации не превышал 11—12%.

Однако дорога, видимо, ориентировалась не на парадные показатели локомотивов, а на суммарные эксплуатационные расходы на перевозки.

А они оказались примерно на том же уровне, что и у магистральных тепловозов.

Это произошло в связи с тем, что потребляемое газотурбовозами топливо (облегченный мазут) было почти вдвое дешевле дизельного, значительно меньшим оказался расход смазки, снижены расходы на обслуживание.

Газотурбовозы водили тяжеловесные поезда с набором топлива более чем через 600 км и показали хорошие тяговые качества, простоту управления.

Опыт работы американских газотурбовозов чрезвычайно показателен.

Несмотря на низкую тепловую экономичность их двигателей, эксплуатационные расходы, как сообщалось в печати, были на 15—20% ниже, чем у тепловозов.

Главным преимуществом газотурбинных двигателей является возможность развивать большую мощность при относительно небольших размерах и массе. Преимуществом является также возможность работы на более дешёвом топливе и существенно меньший расход смазочного масла, а кроме того большая экологичность по сравнению с тепловозами.

Недостатком же является повышенный, по сравнению с дизелем, расход топлива, а также резкое снижение КПД при неполной нагрузке и высокий расход топлива на холостом ходу, что вызывает необходимость иметь вспомогательную энергетическую установку на локомотиве.

Источник.

Г1 (Газотурбовоз, модель 1-я) — первый советский газотурбовоз, построенный Коломенским тепловозостроительным заводом в 1959 году в единственном экземпляре (Г1-01).

На Коломенском паровозостроительном заводе им. В. В. Куйбышева проводилось начатое в 1954 г. эскизное проектирование односекционного восьмиосного газотурбовоза с полезной мощностью газовой турбины 4500 л.с.

Однако во второй половине 1955 г. эта работа была прекращена, и началось проектирование двухсекционного газотурбовоза с газотурбинными установками мощностью по 3500 л.с.

К концу года был закончен технический проект, а в середине 1956 г. началось изготовление газотурбинной установки, которая была готова в декабре 1957 г.

Эта установка (ГТУ № 1) имела подшипники скольжения.

В ноябре 1958 г. началось испытание второй газотурбинной установки (ГТУ № 2), которая была разработана с учетом опыта работы первой установки и, в частности, имела подшипники качения.

После получения изготовленных харьковским заводом «Электротяжмаш» генераторов эта установка с июля 1959 г. испытывалась под нагрузкой. Испытания выявили ряд недостатков установки, и её конструкция вновь подверглась переработке; появилась ГТУ № 3.

В конце 1959 г. завод построил одну секцию грузового газотурбовоза Г1-01.

На газотурбовозе была применена одновальная газотурбинная установка ГТ-3,5 с открытым циклом без регенерации мощностью 3500 л. с.

Она состояла из 12-ти ступенчатого компрессора, шести прямоточных камер сгорания и 4-х ступенчатой турбины.

Атмосферный воздух сжимался в компрессоре до давления 5,5 — 6 атм. и поступал в камеру сгорания.

При сгорании топлива воздух нагревался до температуры 727 °С, и рабочая смесь поступала в газовую турбину.

Примерно 2/3 мощности турбины затрачивалось на вращение компрессора, остальная часть шла на вращение трёх тяговых генераторов постоянного тока.

1 — холодильник; 2 — компрессор; 3 — камеры сгорания; 4 — турбина; 5 — редуктор; 6 — главные генераторы; 7 — вспомогательный генератор; 8 — возбудитель; 9 — высоковольтная камера; 10 — тормозной компрессор; 11 — маневровый генератор; 12 — вспомогательный дизель; 13 — бак дизельного топлива; 14— котел-подогреватель; 15 — бак тяжелого топлива

Газотурбинная установка с редуктором, генераторами и элементами вспомогательного оборудования была смонтирована на отдельной раме, размещенной в средней части кузова. Каждый тяговый генератор питал два параллельно включенных тяговых электродвигателя ЭДТ-340 мощностью по 340 кВт.

Источником электроэнергии при одиночном следовании локомотива служила вспомогательная силовая установка, состоявшая из 6-цилиндрового дизеля 1Д6 мощностью 150 л.с. и двухмашинного агрегата.

Весьма важно, особенно для работы на железнодорожном транспорте, что в камере сгорания возможно сжигание низкосортного жидкого топлива (моторные топлива, дистилляты, облегченные мазуты, сырая нефть и т. д.).

Одним из основных условий для сжигания того или иного сорта топлива, как известно, является время, которое отводится в процессе работы двигателя на воспламенение и сгорание топлива.

В ГТД в отличие от поршневых сгорание топлива отделено от процессов сжатия и расширения рабочего тела, происходит в камерах сгорания непрерывно и не зависит от скорости вращения турбины.

Поэтому в быстроходном ГТД время, в течение которого жидкое топливо сгорает в камере, примерно в 20 раз больше, чем, например, в цилиндре дизеля тепловоза.

В связи с высокой вязкостью тяжелых жидких топлив для хорошего распыливания форсунками топливо приходится подогревать до 80—120°C.

Но даже и в этих условиях пуск двигателя оказывается трудным.

Поэтому в начале запуска используют более легкое дизельное топливо и зажигают его от электрической свечи; в последующем распыленное основное топливо подается непосредственно в горящий факел.

Камеры сгорания работают очень напряженно — теплосъем с единицы объема камеры примерно в 10—20 раз выше, чем в топке парового котла.

Температура стенок жаровой трубы достигает 800—900°C, и поэтому жаровая труба, хотя и изготовляется из жароупорной, химически стойкой стали, является наиболее часто сменяемым (2000—3000 ч.) элементом ГТД.

Возможности однокорпусного компрессора с дозвуковыми скоростями течения воздуха в проточной части ограничены.

Для того чтобы сжимать воздух до 12—15 кГ/см2, нужно либо переходить к сверхзвуковым компрессорам с очень сложной организацией рабочего процесса, как это делают в авиации, либо к двухкомпрессорным схемам.

Последний случай наиболее приемлем для наземных транспортных двигателей, работающих при резко переменных нагрузках.

Вместе с тем переход к двухкомпрессорным схемам не есть простое разделение одного компрессора на два.

Есть необходимость разделения валов компрессора, каждый из которых в качестве привода должен иметь собственную газовую турбину.

Возникает двухвальный двигатель (рис. 25), состоящий из двух турбокомпрессоров: низкого и высокого давления. Воздух последовательно сжимается в компрессоре низкого и высокого давления, нагревается в камере сгорания, а затем расширяется в турбинах.

Свободная мощность в принципе может сниматься с любого вала турбокомпрессоров.

В одновальном ГТД при неподвижной турбине неподвижен и компрессор.

Следовательно, в этих условиях совершенно отсутствует сжатый и нагретый воздух, и турбина не может развивать ни мощности, ни момента.

В тяговом отношении одновальный двигатель имеет даже худшие характеристики, чем дизель. Он не может работать в жесткой связи, например, с колесами локомотива или другого транспортного средства.

Разделим газовую турбину одновального двигателя на две — компрессорную, жестко связанную валом с компрессором, и свободную тяговую турбину, сидящую на отдельном валу (рис. 26).

Турбокомпрессор превращается в генератор газа, не связанный валом с тяговой турбиной.

В полученном таким образом двухвальном двигателе тяговая турбина уже может быть жестко связана с потребителем мощности, например, с колесами локомотива.

Когда локомотив стоит и тяговая турбина неподвижна, турбокомпрессор может развивать обороты вплоть до реализации полной мощности и максимального вращающего момента на венце тяговой турбины, необходимого для трогания состава с места.

По мере увеличения числа оборотов тяговой турбины (независимо от числа оборотов турбокомпрессора) тяговое усилие будет снижаться.

В простейшем одновальном двигателе воздух в процессе сжатия в компрессоре нагревается до 200—250°C.

В то же время газы, покидающие турбину, имеют достаточно высокую температуру (400—450°C).

Совершенно естественно, что в этих условиях часть тепла газов можно полезно использовать или, как говорят, регенерировать, отдав его воздуху, покидающему компрессор и идущему в камеру сгорания.

Для этого нужно между компрессором и камерой поставить теплообменник (рис. 27), в котором теплопередающую поверхность с одной стороны омывали бы газы, а с другой — сжатый воздух.

В двигателе, состоящем из двух турбокомпрессоров (см. рис. 25), можно осуществить и еще одно теплотехническое мероприятие — дополнительный подвод тепла в процессе расширения.

Для этого нужно между турбинами высокого и низкого давления поставить вторую камеру сгорания (рис. 31).

Обычно во второй камере газы нагреваются до той же температуры, что и в первой.

Следует отметить, что возможность сжигания топлива во второй камере определяется тем, что в подходящем к ней воздухе содержится мало продуктов сгорания топлива, сожженного в первой камере, т. е. кислорода оказывается достаточно для полного сжигания топлива.

Дополнительный подогрев рабочего тела заметно повышает к. п. д. двигателя и величину удельной работы.

1 — компрессор низкого давления; 2 — компрессор высокого давления; 3 — камера сгорания высокого давления; 4 — газовая турбина высокого давления; 5 — камера сгорания низкого давления; 6 — газовая турбина низкого давления

На рис. 34 показана схема трехвального двигателя с регенерацией тепла, промежуточным охлаждением воздуха, дополнительным подводом тепла и со свободной тяговой турбиной среднего давления (тяговая турбина может быть и низкого давления).

При кажущейся сложности такой двигатель весьма компактен и может быть с успехом размещен в кузове локомотива. Отмеченное выше повышение удельной работы приводит к таким интересным результатам: если в простейшем одновальном двигателе мощностью 3 000 л. с. необходимо, чтобы в цикле участвовало 21—22 кг/сек воздуха, то в двигателе рассматриваемой сложной схемы мощностью 6 000 л. с., т. е. вдвое большей, расход воздуха равен только 18—19 кг/сек.

1 — компрессор низкого давления; 2 — холодильник; 3 — компрессор высокого давления; 4 — регенератор; 5 — камера сгорания высокого давления; 6 — газовая турбина высокого давления; 7 — камера сгорания среднего давления: 8 — тяговая газовая турбина среднего давления: 9 — газовая турбина низкого давления

Но, пожалуй, самым важным является то, что рассматриваемый трехвальный двигатель решает одну из самых сложных и важных проблем применения газотурбинных двигателей на локомотивах — проблему экономичности двигателя на переменном режиме работы. Одновальный ГТД имеет совершенно неудовлетворительные показатели в этом отношении — его к. п. д. на частичных нагрузках резко падает , что приводит к низкому эксплуатационному к. п. д. локомотива.

Трехвальный двигатель с теплотехническими мероприятиями позволяет не только получить более высокий к. п. д. на расчетной мощности, но и удерживать его до 50—60% нагрузки.

Создание первых газотурбинных локомотивов относится к ранним послевоенным годам, т. е. к начальной стадии развития газотурбостроения вообще.

Поэтому естественно, что почти на всех газотурбовозах использован простейший одновальный ГТД.

Хотя,в 1957—1959 гг. завод им В. И. Ленина в ЧССР построил два опытных газотурбовоза мощностью 3 200 л. с.

Силовые установки локомотивов состояли из двухвальных регенеративных ГТД и механической передачи.

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — компрессорная турбина; 4 — тяговая турбина; 5 — сцепление; 6 — главный редуктор и реверс-редуктор; 7 — карданный вал; 8 — осевой редуктор; 9 — ведущая колесная пара

Газотурбовоз ГТ1 (2007)(позднее ГТ1h) — российский опытный газотурбовоз (тепловоз с газотурбинным двигателем). На нём используется электрическая передача: газотурбинный двигатель, работающий на сжиженном природном газе, соединён с генератором переменного тока, а вырабатываемый последним ток выпрямляется и подаётся на тяговые электродвигатели, которые и приводят локомотив в движение.

НК-361, входящий в силовой блок ГТЭ-8,3/НК, выполнен по двухвальной схеме со свободной силовой турбиной.

Толковой схемы ГТД  ГТ1 в интернете не нашёл,поэтому верю журналистам.

Почему не трёхвальная сказать не могу,если есть специалисты,подскажите.

Полная максимальная мощность ГТЭ составляет 8300 кВт при к.п.д. 30 %.

ГТД приводит в действие тяговый электрогенератор мощностью 7370 кВт и вспомогательный генератор мощностью 600 кВт.

2012 год — ГТ1-001 модернизирован с заменой дизельной силовой установки собственных нужд на тяговую аккумуляторную батарею (для маневровых передвижений с заглушенным ГТД), получив индекс "h" (hybrid — гибрид).

Я не специалист в области ГТД, позитивной критике буду только рад.)

Источник.

АА-20 — экспериментальный паровоз "Андрей Андреев", с 20-тонной нагрузкой на движущую ось.

Производство 1934 года на Луганский (Ворошиловградский) тепловозостроительный завод.

Построен: 1 паровоз.

Паровоз АА был первым и единственным в мировой истории локомотивом с семью движущими осями в одной жёсткой раме.

Паровой котёл паровоза являлся одним из крупнейших локомотивных паровых котлов в Европе.

Несмотря на значительные разбеги у тележек и колёсных пар, паровоз плохо вписывался в кривые, расстраивал пути и сходил с рельс на стрелках. Кроме того, колоссальная машина не помещалась на поворотных кругах и в стойлах паровозных депо.

1 января 1935 года паровоз был отправлен в Москву. На подъёме в 10 ‰ паровоз с составом массой 2800 тонн развивал скорость 40 км/ч. Мощность паровоза достигала 3700 л. с., сила тяги при трогании с места — до 32 000 кгс. Однако в ходе эксплуатации был выявлен ряд конструктивных недостатков паровоза, в частности, в системе парораспределения.

По этим причинам в 1935 году паровоз сделал лишь несколько пробных поездок, после чего был окончательно отстранён от поездной работы. Следующие 25 лет неработающий локомотив простоял «под забором», пока в 1960 году не был порезан на металлолом.

Паровоз класса PRR S1 («Большой Мотор») — экспериментальный паровоз, крупнейший паровоз с жёсткой рамой из когда-либо построенных.

К 1937 году у Пенсильванской железной дороги возникла необходимость построить новый пассажирский локомотив взамен морально устаревшего K4s «Пасифик».

Совместными усилиями Пенсильванской железной дороги, а также компаний «Baldwin Locomotive Works», «Lima Locomotive Works» и «American Locomotive Company» был спроектирован и построен экспериментальный паровоз S1, «обтекаемый» дизайн которого в стиле ар-деко разработал известный промышленный дизайнер Раймонд Лоуи.

Стоимость S1 составляла 669 780,00 долл. США, что соответствует 11 413 500 долл. США сегодня.

В отличие от других типов сочленённых паровозов, имел жёсткую раму.

Постройка паровоза была завершена 31 января 1939 года, и он получил номер 6100.

На нью-йоркской Всемирной выставке 1939 года паровоз демонстрировался под маркой компании «American Railroads» как значительное техническое достижение. После выставки под маркой Пенсильванских железных дорог он начал работать в качестве пассажирского локомотива на линии между Чикаго (штат Иллинойс) и Крестлайном (штат Огайо), при этом он продолжал использоваться компанией и в рекламных целях, а его изображения помещались на календарях и брошюрах.

«Стремительный» облик локомотива породил много историй о том, что он может достичь скорости в 220 и более км/ч, которые не имеют, однако, ни одного документального подтверждения. По первоначальному проекту предполагалось, что паровоз сможет тянуть состав весом до 1000 т и двигаться при этом со скоростью до 160 км/ч, но эта цель не была достигнута. Этому помешали два основных обстоятельства:

чрезвычайно большая длина локомотива (42,8 м) ограничивала его полезность, не позволяя ему проходить кривые на большинстве путей Пенсильванских железных дорог

недостаточный сцепной вес локомотива приводил к довольно частому проскальзыванию колёс

В дальнейшем паровозы модели S1 не собирались. Единственный построенный экземпляр находился в использовании до декабря 1946 года, а к 1949 году — отправлен на слом.

Основываясь на опыте, полученном от S1, PRR создал дизайн T1.

Построено 52 с 1940 по 1945 год.

Из числа 12 000 паровозов построенных и бывших в эксплуатации в США всего 220 были оборудованы обтекаемыми кожухами.

Все они получили общее название «streamline» и использовались на линиях пассажирского сообщения.

Фотография обтекаемого парового локомотива Берлингтон, Aeolus , который должен был служить резервным для локомотивов с дизельным двигателем на Денвере и в Твин Ситиз.

Источник.

Источник.