Газотурбовоз — тип железнодорожного локомотива , в котором первичным двигателем является газовая турбина . Было разработано несколько типов газотурбовозов, отличающихся в основном способами передачи механической энергии ведущим колесам (машинистам). Газотурбопоезд обычно состоит из двух силовых вагонов (по одному на каждом конце поезда) и одного или нескольких промежуточных пассажирских вагонов .
Газовая турбина имеет некоторые преимущества по сравнению с поршневым двигателем . В ней мало движущихся частей, что снижает потребность в смазке и потенциально снижает затраты на техническое обслуживание, а соотношение мощности к весу намного выше. Турбина данной выходной мощности также физически меньше, чем поршневой двигатель такой же мощности, так что локомотив может быть чрезвычайно мощным, не будучи при этом чрезмерно большим.
Однако выходная мощность и эффективность газовой турбины резко падают с частотой вращения , в отличие от поршневого двигателя, у которого сравнительно плоская кривая мощности. Это делает газотурбинно-электрические системы полезными в первую очередь для высокоскоростных поездок на большие расстояния. Дополнительные проблемы с газотурбинно-электрическими локомотивами включают тот факт, что они очень шумные [1] [2] и производят такие чрезвычайно горячие выхлопные газы, что если бы локомотив был припаркован под путепроводом, вымощенным асфальтом, он мог бы расплавить асфальт. [3]
Газотурбинный локомотив был запатентован в 1861 году Марком Антуаном Франсуа Меннонсом (британский патент № 1633). [4] Рисунки в патенте Меннонса показывают локомотив с колесной формулой 0-4-2 с цилиндрическим кожухом, напоминающим котел. В передней части кожуха находится компрессор, который Меннонс называет вентилятором. Он подает воздух в топку, а горячие газы из топки приводят в действие турбину в задней части кожуха. Затем выхлопные газы из турбины проходят вперед по каналам для предварительного нагрева поступающего воздуха. Турбина приводит в действие компрессор через зубчатую передачу и внешний вал. Имеется дополнительная зубчатая передача на промежуточный вал, который приводит в движение колеса через боковые стержни. Топливо твердое (предположительно, уголь, кокс или древесина), а сзади находится топливный бункер. Нет никаких доказательств того, что локомотив был действительно построен, но конструкция включает в себя основные элементы газотурбинных локомотивов, построенных в XX веке, включая компрессор, камеру сгорания, турбину и предварительный воздухоподогреватель.
Работа, приведшая к появлению газотурбинного локомотива, началась во Франции и Швеции в 1920-х годах, но первый локомотив появился только в 1940-х годах. Высокий расход топлива был основным фактором упадка обычных газотурбинных локомотивов, и использование поршневого двигателя в качестве газогенератора, вероятно, дало бы лучшую экономию топлива, чем компрессор турбинного типа, особенно при работе с неполной нагрузкой.
Одним из вариантов является двухвальная машина с отдельными турбинами для привода компрессора и выходного вала. Другим вариантом является использование отдельного газогенератора , который может быть как роторного, так и поршневого типа.
Газотурбомеханические локомотивы используют механическую трансмиссию для передачи мощности газовых турбин на колеса. Из-за разницы в их скоростях это технически сложно, поэтому механическая трансмиссия появилась лишь через десять лет после первых электрических трансмиссий.
Первый в мире газотурбинный механический локомотив, Class 040-GA-1 мощностью 1000 л. с. (0,75 МВт), был построен Renault в 1952 году и имел свободнопоршневой двигатель Pescara в качестве газогенератора. За ним последовали еще два локомотива, Class 060-GA-1 мощностью 2400 л. с. (1,8 МВт) в 1959–61 годах. [5]
Газогенератор Pescara в 040-GA-1 состоял из горизонтального, одноцилиндрового, двухтактного дизельного двигателя с противолежащими поршнями . У него не было коленчатого вала, а поршни возвращались после каждого рабочего такта путем сжатия и расширения воздуха в отдельном цилиндре. Выхлопные газы дизельного двигателя приводили в действие газовую турбину, которая приводила в движение колеса через двухскоростную коробку передач и карданные валы. [6] : 142–3 Свободнопоршневой двигатель был запатентован в 1934 году Раулем Патерасом Пескарой .
Несколько подобных локомотивов были построены в СССР Харьковским паровозостроительным заводом . [5]
Локомотив на силовом газе был построен Gotaverken . Он имел вертикальный, пятицилиндровый, двухтактный дизельный двигатель с оппозитными поршнями. Был один коленчатый вал, соединенный как с верхним, так и с нижним поршнями. Выхлопные газы дизельного двигателя приводили в действие газовую турбину, которая приводила в движение колеса через редуктор, промежуточный вал и боковые тяги.
Турбинная мощность рассматривалась для железнодорожной тяги в бывшей Чехословакии . Было построено два прототипа с турбинным приводом, обозначенных TL 659.001 и TL 659.002, с колесной формулой CC, главной турбиной мощностью 3200 л. с. (2,4 МВт), вспомогательной турбиной и вспомогательным дизельным двигателем Tatra 111 .
Первый прототип (TL 659.001) был закончен в феврале 1958 года и должен был быть представлен на Expo '58 . Однако это было отменено, поскольку он не был готов вовремя. Первые внезаводские испытания были проведены в марте 1959 года на линии Пльзень — Хеб — Соколов . 15 мая 1959 года первый прототип потянул свой самый тяжелый поезд, 6486 тонн (7150 коротких тонн), но турбина загорелась всего через день. Двигатель так и не был восстановлен и в конечном итоге был списан.
Второй прототип (TL 659.002) был построен с учетом уроков, извлеченных из первого. Он покинул завод в марте 1960 года и был единственным турбовозом, который прошел испытания для регулярной эксплуатации на путях бывших Чехословацких государственных железных дорог . Он был испытан около Колина и Пльзеня со смешанными результатами. Этот двигатель был выведен из эксплуатации в апреле 1966 года и продан Жилинскому университету в качестве учебного пособия. Некоторое время спустя он был списан.
Хотя эксперименты дали неоднозначные результаты, это были самые мощные локомотивы с чисто механической силовой установкой в мире, а также самые мощные локомотивы с независимой тягой в Чехословакии.
British Rail GT3 представлял собой простую машину, состоящую по сути из стандартной газовой турбины, работающей на мазуте, установленной на стандартном шасси паровоза, построенную в качестве демонстрационного образца компанией English Electric в 1961 году. Его почти грубая простота позволила избежать значительной части ненадежности, которая преследовала сложные экспериментальные газотурбинные электровозы 18000 и 18100 в предыдущие годы, но он не смог конкурировать с обычной тягой и был списан.
Примеры газотурбомеханических локомотивов:
Газотурбинный электровоз (ГТЭЛ) — это локомотив , который использует газовую турбину для привода электрогенератора или генератора переменного тока , производящего электрический ток, который используется для питания тяговых двигателей . Этот тип локомотивов впервые был опробован во время Второй мировой войны , но достиг своего пика в 1950-1960-х годах. Сегодня эту систему используют лишь немногие локомотивы.
GTEL использует турбоэлектрическую трансмиссию, в которой турбовальный двигатель приводит в действие электрогенератор или генератор переменного тока через систему шестерен . Электрический ток распределяется для питания тяговых двигателей, которые приводят в движение локомотив. В целом система очень похожа на обычную дизель-электрическую , в которой большой дизельный двигатель заменен на меньшую газовую турбину аналогичной мощности .
Union Pacific эксплуатировала самый большой парк таких локомотивов среди всех железных дорог мира и была единственной железной дорогой, которая использовала их для перевозки грузов. Большинство других GTEL были построены для небольших пассажирских поездов, и лишь немногие добились реального успеха в этой роли. С ростом цен на топливо (что в конечном итоге привело к нефтяному кризису 1973 года ) эксплуатация газотурбинных локомотивов стала неэкономичной, и многие из них были выведены из эксплуатации. Локомотивы Union Pacific также требовали большего обслуживания, чем изначально предполагалось, из-за загрязнения лопаток турбин маслом Bunker C , используемым в качестве топлива.
В 1939 году Швейцарские федеральные железные дороги заказали у Brown Boveri GTEL с максимальной мощностью двигателя 1620 кВт (2170 л. с.) . Он был завершен в 1941 году, а затем прошел испытания перед поступлением в регулярную эксплуатацию. Am 4/6 был первым в мире газотурбинным электровозом. Он был предназначен в первую очередь для работы легких, быстрых пассажирских поездов на маршрутах, которые обычно обслуживают недостаточное движение, чтобы оправдать электрификацию .
Два газотурбинных локомотива разной конструкции, 18000 и 18100, были заказаны Great Western Railway (GWR), но построены для недавно национализированных British Railways .
British Rail 18000 был построен компанией Brown Boveri и доставлен в 1949 году. [7] Это был GTEL мощностью 1840 кВт (2470 л. с.), заказанный GWR и использовавшийся для экспресс-пассажирских перевозок.
British Rail 18100 был построен Metropolitan-Vickers и доставлен в 1951 году. Он имел газовую турбину авиационного типа мощностью 2,2 МВт (3000 л. с.). Его максимальная скорость составляла 90 миль в час (140 км/ч). [8]
Третий локомотив, GT3 , был построен в 1961 году. Хотя его построила компания English Electric , которая была пионером в области электрической трансмиссии на локомотивах LMS 10000 , в нем использовалась турбинно-механическая трансмиссия. [9]
British Rail APT-E , прототип Advanced Passenger Train , был оснащен турбиной. Как и французский TGV , более поздние модели использовали альтернативную электрическую трансмиссию. Этот выбор был сделан, потому что British Leyland , поставщик турбин, прекратил производство модели, используемой в APT-E, потеряв интерес к газотурбинной технологии после нефтяного кризиса 1970-х годов . [10]
В 1948 году компания ALCO-GE построила прототип масляного газотурбинного электровоза с колесной формулой BBBB . После демонстрационных пробегов он был приобретен компанией Union Pacific , которая искала более мощную альтернативу дизельному топливу для трансконтинентальных поездов. [11]
UP управляла парком из 55 грузовых локомотивов с турбинным приводом, начиная с начала 1950-х годов, все они были произведены Alco-GE. Версии первого и второго поколения имели ту же колесную формулу, что и прототип; версия третьего поколения была типа CC . Все они широко использовались на дальних маршрутах и были экономически эффективными, несмотря на их плохую топливную экономичность, из-за использования «остатков» топлива из нефтяной промышленности. На пике своей деятельности железная дорога подсчитала, что они снабжали энергией около 10% грузовых поездов Union Pacific, что было гораздо более широким применением, чем любой другой пример этого класса. Поскольку были найдены другие применения для этих более тяжелых нефтяных побочных продуктов, в частности для пластмасс, стоимость топлива Bunker C росла, пока эти единицы не стали слишком дорогими в эксплуатации, и они были выведены из эксплуатации к 1969 году.
В апреле 1950 года Болдуин и Вестингауз завершили экспериментальный 4000-сильный (3000 кВт) турбовоз № 4000, известный как Blue Goose , также использовавший колесную формулу BBBB. Локомотив использовал два 2000-сильных (1500 кВт) турбинных двигателя, был оборудован для отопления пассажирских поездов парогенератором, который использовал тепло отходящих газов правой турбины, и был рассчитан на скорость 100 миль в час (160 км/ч). Хотя он был успешно продемонстрирован как в грузовых, так и в пассажирских перевозках на PRR , MKT и CNW , заказов на производство не последовало, и он был списан в 1953 году. [12]
В 1960-х годах United Aircraft построила пассажирский поезд Turbo , который был испытан Пенсильванской железной дорогой и позже использовался Amtrak и Via Rail . Via оставался в эксплуатации до 1980-х годов и имел превосходные показатели технического обслуживания в этот период, но в конечном итоге был заменен LRC в 1982 году. Amtrak приобрела два разных типа поездов с турбинным двигателем , которые оба назывались Turboliner . Поезда первого типа были похожи по внешнему виду на T 2000 Turbotrain компании SNCF, хотя соответствие правилам безопасности FRA сделало их тяжелее и медленнее французских поездов. Ни один из Turboliner первого типа не находится в эксплуатации. Amtrak также добавила в свой список несколько похожих по названию Rohr Turboliner (или RTL). Были планы перестроить их как RTL III, но эта программа была отменена. Блоки, принадлежавшие штату Нью-Йорк, были проданы на металлолом, а три оставшихся поезда RTL хранятся в Норт-Брансуике, штат Нью-Джерси , и Нью-Хейвене, штат Коннектикут . [13]
В 1966 году Long Island Rail Road провела испытания экспериментального газотурбинного вагона (под номером GT-1 ), работающего от двух турбинных двигателей Garrett . Этот вагон был основан на конструкции Budd Pioneer III , с трансмиссиями, похожими на RDC Budd 1950-х годов . Позже вагон был модифицирован (как GT-2 ), чтобы добавить возможность работать также на электрическом третьем рельсе . [14] [15]
В 1977 году LIRR испытала еще восемь двухрежимных вагонов с газовой турбиной, электроприводом и электроприводом в ходе эксперимента, спонсируемого Министерством транспорта США . Четыре из этих вагонов имели силовые агрегаты, разработанные GE , в то время как остальные четыре имели силовые агрегаты, разработанные Garrett (еще четыре вагона были заказаны с силовыми агрегатами GM / Allison , но были отменены). Эти вагоны были похожи на вагоны M1 EMU LIRR по внешнему виду, с добавлением ступенчатых колодцев для загрузки с низкоуровневых платформ. Вагоны страдали от плохой топливной экономичности и механических проблем и были выведены из эксплуатации через короткий промежуток времени. Четыре вагона с двигателями GE были переоборудованы в электровозы M1, а вагоны Garrett были списаны. [16]
В 1997 году Федеральное управление железных дорог (FRA) запросило предложения по разработке высокоскоростных локомотивов для маршрутов за пределами Северо-Восточного коридора, где электрификация была неэкономичной. Bombardier Ltd на заводе в Платтсбурге, штат Нью-Йорк, где производилась Acela , разработала прототип ( JetTrain ), который объединил газовую турбину Pratt & Whitney Canada PW100 и дизельный двигатель с одной коробкой передач, приводящей в действие четыре тяговых двигателя, идентичных тем, что были в Acela. Дизель обеспечивал мощность головной части и тягу на низкой скорости, при этом турбина не запускалась до тех пор, пока не покинула станции. Прототип был завершен в июне 2000 года, а испытания безопасности проводились на испытательном полигоне FRA в Пуэбло, штат Колорадо, начиная с лета 2001 года. Была достигнута максимальная скорость 156 миль в час (251 км/ч). Затем прототип был отправлен на экскурсию по потенциальным местам для высокоскоростного обслуживания, но обслуживание пока не началось.
Два типа газотурбинных электровозов прошли испытания в Советском Союзе. Программа испытаний началась в 1959 году и продолжалась до начала 1970-х годов. Грузовой ГТЭЛ Г1-01, выпускаемый Коломенским локомотивным заводом , должен был состоять из двух локомотивов с колесной формулой CC, но была построена только одна секция. Пассажирский локомотив ГП1 имел похожую конструкцию с кузовом тепловоза ТЭП60 , также с колесной формулой CC, введенного в программу испытаний в 1964 году. Коломенским заводом были построены два блока, ГП1-0001 и ГП1-0002, которые также использовались в регулярных пассажирских поездах. Оба типа имели максимальную выходную мощность 2600 кВт (3500 л. с.). [17]
Другой советский газотурбогидравлический грузовой локомотив типа ГТ101 был разработан и произведен в 1960 году Луганским локомотивным заводом . Как и локомотив Г1, он должен был состоять из двух секций колесной формулы CC, но была построена только одна секция. Эта секция была оснащена четырьмя свободнопоршневыми газогенераторами и газовой турбиной с максимальной выходной мощностью 2200 кВт (3000 л. с.), а также гидравлической трансмиссией. В отличие от других локомотивов, он не находился в регулярной эксплуатации. [18]
В 2006 году Российские железные дороги представили маневровый ГТЭЛ ГЭМ-10 . Турбина работает на сжиженном природном газе (СПГ) и имеет максимальную выходную мощность 1000 кВт (1300 л. с.). ГЭМ-10 имеет колесную формулу CC. ТГЭМ10-0001, который использует ту же турбину и топливо, что и ГЭМ-10, представляет собой двухсекционный ( корова-теленок ) маневровый ГТЭЛ с колесной формулой B-B+BB . Ведомый блок этого локомотива используется в качестве топливного тендера на сжатом природном газе (СПГ) и не имеет первичного двигателя , поэтому его тяговые двигатели питаются от главной секции. Турбина этого локомотива также имеет максимальную выходную мощность 1000 кВт (1300 л. с.). [19]
.jpg/1280px-%D0%93%D0%A21h-002_(cropped).jpg)
Грузовой GTEL GT1-001, перестроенный из электровоза VL15 в 2006 году и представленный в 2007 году, работает на СПГ и имеет максимальную выходную мощность 8300 кВт (11 100 л. с.). [20] Одна секция несет резервуар для СПГ, а другая вмещает турбину с выработкой электроэнергии, и обе секции имеют тяговые двигатели и кабины. Локомотив имеет колесную формулу BB-B+BBB , и до трех локомотивов GT1 могут быть соединены вместе. [21] 23 января 2009 года GT1-001 провел тестовый запуск с поездом из 159 вагонов весом 15 000 метрических тонн (14 800 длинных тонн; 16 500 коротких тонн); Дальнейшие испытания на большегрузных перевозках были проведены в декабре 2010 года. [22] В ходе тестового запуска, проведенного в сентябре 2011 года, локомотив перевез 170 грузовых вагонов весом 16 000 метрических тонн (15 700 длинных тонн; 17 600 коротких тонн). [23] В 2012 году вспомогательный дизельный двигатель, используемый для маневровых работ, был заменен на аккумулятор, а локомотив был переименован в GT1h (где «h» означает гибрид ). GT1h-001 остался прототипом и так и не был запущен в производство. [24]
Преемником ГТ1h-001 является ГТ1h-002. Несмотря на то же обозначение типа, этот локомотив имеет принципиально иную конструкцию с колесной формулой (BB)-(BB)+(BB)-(BB) , заимствованной у маневрового тепловоза ТЭМ7, и новым кузовом с открытым баком для СПГ, заимствованным у кузова электровоза 2ЭС6. Этот серийный тип имеет максимальную выходную мощность 8500 кВт (11400 л. с.). [24] Оба локомотива ГТ1h эксплуатируются в Егоршино на Урале . [17]
Canadian National Railways (CN) была одним из операторов Turbo , которые были переданы Via Rail . Они работали на главном маршруте Торонто–Монреаль с 1968 по 1982 год, когда их заменил LRC .
В 2002 году Bombardier Transportation объявила о запуске JetTrain , высокоскоростного поезда, состоящего из наклоняемых вагонов и локомотива, работающего на турбовальном двигателе Pratt & Whitney . Были сделаны предложения использовать поезда на маршрутах Квебек-Сити–Виндзор, Орландо–Майами, а также в Альберте, Техасе, Неваде и Великобритании. Был построен и испытан один прототип, но ни один JetTrain пока не был продан для эксплуатации. Однако ни одно из этих предложений не вышло, и JetTrain по сути исчез, будучи замененным линейкой Bombardier Zefiro — высокоскоростных и сверхскоростных поездов с обычным приводом. JetTrain больше не появляется ни на одном из текущих веб-сайтов Bombardier или в рекламных материалах, хотя его все еще можно найти на старых веб-сайтах с логотипами Canadair.
Первый прототип TGV , TGV 001 , был оснащен газовой турбиной, но высокие цены на нефть привели к переходу на воздушные линии электропередач для подачи электроэнергии. Тем не менее, два больших класса междугородних вагонов с газовыми турбинами были построены в начале 1970-х годов ( ETG и RTG ) и широко использовались примерно до 2000 года.
SNCF (Французские национальные железные дороги) использовали ряд газотурбинных поездов, называемых Turbotrain , на неэлектрифицированной территории . Они обычно состояли из силового вагона на каждом конце с тремя вагонами между ними. Turbotrain использовался до 2005 года. После выхода из эксплуатации четыре комплекта были проданы для дальнейшего использования в Иране.
В 1940-х и 1950-х годах в США и Великобритании проводились исследования, направленные на создание газотурбинных локомотивов, которые могли бы работать на пылевидном угле . Основной проблемой было избежать эрозии лопаток турбины частицами золы. Известно, что был изготовлен только один рабочий образец, и он был списан как неудачный после испытаний. Источниками следующей информации являются Робертсон [25] и Сэмпсон. [6]
В 1946 году партнерство Northrop - Hendy предприняло попытку адаптировать авиационный двигатель Northrop Turbodyne для использования в локомотивах, используя угольную пыль вместо керосина в качестве топлива. В декабре 1946 года Union Pacific пожертвовала свой отставной локомотив M-10002 streamliner для проекта. Однако к концу 1947 года проект был заброшен, и нет никаких четких доказательств того, что локомотив, предоставленный для эксперимента, когда-либо фактически работал на газовой турбине или даже был установлен. [26] Подробности исследования были переданы британской железной дороге London, Midland and Scottish Railway . После роста цен на топливо, который сделал их нефтяные GTELs нерентабельными, UP экспериментально возродила идею угольных газовых турбин в начале 1960-х годов, выпустив один прототип угольного GTEL в октябре 1962 года. Проблемы с загрязнением лопастей и эрозией были серьезными. Проект был объявлен провальным через 20 месяцев, за которые локомотив пробежал менее 10 000 миль.
23 декабря 1952 года Министерство топлива и энергетики Великобритании разместило заказ на угольный газотурбинный локомотив для использования на Британских железных дорогах . Локомотив должен был быть построен компанией North British Locomotive Company , а турбина должна была быть поставлена компанией CA Parsons and Company .
По словам Сэмпсона, план состоял в том, чтобы использовать непрямой нагрев. Измельченный уголь сжигался в камере сгорания , а горячие газы передавались в теплообменник . Здесь тепло передавалось бы в отдельный корпус сжатого воздуха, который приводил бы в действие турбину. По сути, это был бы двигатель горячего воздуха, использующий турбину вместо поршня.
Робертсон показывает диаграмму, которая подтверждает информацию Сэмпсона, но также ссылается на проблемы с эрозией лопаток турбины золой. Это странно, потому что при использовании обычного кожухотрубчатого теплообменника не было бы риска попадания золы в контур турбины.
Рабочий цикл
Существовало два отдельных, но связанных между собой контура: контур сгорания и контур турбины.
Спецификация
Локомотив так и не был построен, но его технические характеристики были следующими:
Прогнозируемый результат:
Трансмиссия должна была быть механической, через двухскоростную коробку передач, что давало высокую скорость для пассажирских перевозок и более низкую скорость для грузовых. Приведенные выше цифры тягового усилия выглядят подозрительно высокими для указанных скоростей. Кажется более вероятным, что приведенные цифры относятся к пусковому тяговому усилию и максимальной скорости на высокой и низкой передаче соответственно. Модель предлагаемого локомотива имеется в Музее транспорта Глазго , а некоторые записи хранятся в Национальном железнодорожном музее .