Газотурбинный локомотив — разновидность железнодорожного локомотива , в котором первичным двигателем является газовая турбина . Разработано несколько типов газотурбинных локомотивов, различающихся главным образом способами передачи механической мощности на ведущие колеса (водители). Газотурбинный поезд обычно состоит из двух силовых вагонов (по одному на каждом конце поезда) и одного или нескольких промежуточных пассажирских вагонов .
Газовая турбина имеет некоторые преимущества перед поршневым двигателем . В нем мало движущихся частей, что снижает потребность в смазке и потенциально снижает затраты на техническое обслуживание, а соотношение мощности к весу намного выше. Турбина заданной мощности также физически меньше, чем поршневой двигатель такой же мощности, так что локомотив может быть чрезвычайно мощным, но при этом не обязательно быть чрезмерно большим.
Однако выходная мощность и эффективность газовой турбины резко падают с увеличением скорости вращения , в отличие от поршневого двигателя, кривая мощности которого сравнительно плоская. Это делает системы GTEL полезными в первую очередь для высокоскоростных перевозок на большие расстояния. Дополнительные проблемы с газотурбинными электровозами включают тот факт, что они очень шумны [1] [2] и производят настолько горячие выхлопные газы, что, если локомотив будет припаркован под эстакадой с асфальтовым покрытием, он может расплавить асфальт. [3]
Газотурбовоз был запатентован в 1861 году Марком Антуаном Франсуа Менноном (патент Великобритании № 1633). [4] На рисунках в патенте Меннона изображен локомотив колесной формулы 0-4-2 с цилиндрическим кожухом, напоминающим котел. В передней части корпуса находится компрессор, который Меннонс называет вентилятором. Он подает воздух в топку, а горячие газы из топки приводят в движение турбину в задней части кожуха. Затем выхлопные газы турбины проходят вперед по воздуховодам для предварительного нагрева поступающего воздуха. Турбина приводит в движение компрессор через зубчатую передачу и внешний вал. Имеется дополнительная передача на промежуточном валу, который приводит колеса в движение через боковые тяги. Топливо твердое (предположительно уголь, кокс или древесина), а в задней части имеется топливный бункер. Нет никаких доказательств того, что локомотив действительно был построен, но конструкция включает в себя основные особенности газотурбинных локомотивов, построенных в 20 веке, включая компрессор, камеру сгорания, турбину и подогреватель воздуха.
Работы по созданию газотурбинного локомотива начались во Франции и Швеции в 1920-х годах, но первый локомотив появился только в 1940-х годах. Высокий расход топлива был основным фактором упадка традиционных газотурбинных локомотивов, и использование поршневого двигателя в качестве газогенератора, вероятно, дало бы лучшую экономию топлива, чем компрессор турбинного типа, особенно при работе с нагрузкой ниже полной.
Одним из вариантов является двухвальная машина с отдельными турбинами для привода компрессора и выходного вала. Другой вариант — использовать отдельный газогенератор , который может быть как роторного, так и поршневого типа.
В газотурбомеханических локомотивах используется механическая трансмиссия для передачи выходной мощности газовых турбин на колеса. Из-за разницы в скоростях это технически сложно, поэтому механическая трансмиссия появилась только через десять лет после появления первых электрических трансмиссий.
Первый в мире газотурбинный локомотив класса 040-ГА-1 мощностью 1000 л.с. был построен фирмой Renault в 1952 году и имел в качестве газогенератора свободнопоршневой двигатель «Пескара ». За ним последовали еще два локомотива класса 060-ГА-1 мощностью 2400 л.с. в 1959–61 годах. [5]
Газогенератор «Пескара» в 040-GA-1 представлял собой горизонтальный одноцилиндровый двухтактный дизельный двигатель с оппозитными поршнями . У него не было коленчатого вала, а поршни возвращались после каждого рабочего такта за счет сжатия и расширения воздуха в отдельном цилиндре. Выхлопы дизельного двигателя приводили в движение 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 Пескара .
Несколько подобных локомотивов построил в СССР Харьковский паровозостроительный завод . [5]
Электрогазовый локомотив был построен на заводе «Готаверкен» . Он имел вертикальный пятицилиндровый двухтактный дизельный двигатель с оппозитными поршнями. Был один коленчатый вал, соединенный как с верхним, так и с нижним поршнями. Выхлопы дизельного двигателя приводили в движение газовую турбину, которая приводила в движение колеса через понижающую передачу, домкратный вал и боковые тяги.
Мощность турбин рассматривалась для железнодорожной тяги в бывшей Чехословакии . Были построены два прототипа с турбинным двигателем, получившие обозначения 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 (659 001 турецких лир) был закончен в феврале 1958 года и должен был быть выставлен на выставке Expo '58 . Однако проект был прерван, 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 вытащил свой самый тяжелый поезд весом 6486 тонн, но турбина загорелась только через день. Двигатель так и не был восстановлен и в конечном итоге 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, прошедшим испытания для регулярной эксплуатации на путях бывших Чехословацких государственных железных дорог . Его опробовали возле Колина и Пльзеня с неоднозначными результатами. Этот двигатель был выведен из эксплуатации в апреле 1966 года и продан Жилинскому университету в качестве учебного инструмента. Через некоторое время его списали.
Хотя эксперименты дали неоднозначные результаты, это были самые мощные локомотивы с чисто механической трансмиссией в мире, а также самые мощные локомотивы с независимой тягой в Чехословакии.
British Rail GT3 представлял собой простую машину, состоящую по существу из стандартной газовой турбины, работающей на жидком топливе, установленной на стандартном шасси паровоза, построенного в качестве демонстрационного образца компанией English Electric в 1961 году. Ее почти грубая простота позволила избежать большей части ненадежности, которая была В предыдущие годы досаждали сложным экспериментальным GTEL 18000 и 18100 , но они не смогли конкурировать с традиционными тяговыми двигателями и были списаны.
Примеры газотурбомеханических локомотивов:
Газотурбинный электровоз (ГТЭЛ) — это локомотив , в котором газовая турбина используется для привода электрогенератора или генератора переменного тока , вырабатывающего электрический ток, который используется для питания тяговых двигателей . Впервые с этим типом локомотива экспериментировали во время Второй мировой войны , но своего пика он достиг в 1950-1960-х годах. Сегодня эту систему используют немногие локомотивы.
В GTEL используется турбоэлектрическая трансмиссия, в которой турбовальный двигатель приводит в движение электрический генератор или генератор переменного тока через систему зубчатых передач . Электрический ток распределяется для питания тяговых двигателей, приводящих в движение локомотив. В целом система очень похожа на обычную дизель-электрическую систему , в которой большой дизельный двигатель заменен газовой турбиной меньшего размера аналогичной мощности .
Union Pacific владела самым большим парком таких локомотивов среди всех железных дорог в мире и была единственной железной дорогой, которая использовала их для перевозки грузов. Большинство других GTEL были построены для небольших пассажирских поездов, и лишь немногие из них 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 нерентабельной, и многие из них были выведены из эксплуатации. Локомотивы Union Pacific также потребовали большего обслуживания, чем первоначально предполагалось, из-за загрязнения лопаток турбины 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 на регулярную службу. Ам 4/6 был первым в мире газотурбинным электровозом. Он был предназначен в первую очередь для работы легких, быстрых пассажирских поездов на маршрутах, которые обычно имеют недостаточное движение, чтобы оправдать электрификацию .
Два газотурбинных локомотива разной конструкции, 18000 и 18100, были заказаны Great Western Railway (GWR), но изготовлены для недавно национализированных British Railways .
British Rail 18000 был построен компанией Brown Boveri и поставлен в 1949 году. Это был GTEL мощностью 1840 кВт (2470 л.с.), заказанный GWR и использовавшийся для экспресс-пассажирских перевозок.
British Rail 18100 был построен компанией Metropolitan-Vickers и поставлен 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). [7]
Третий локомотив, GT3 , был построен в 1961 году. Хотя он был построен компанией English Electric , которая впервые разработала электрическую трансмиссию на локомотивах LMS 10000 , в нем использовалась турбинно-механическая трансмиссия. [8]
Британский железнодорожный APT-E , прототип усовершенствованного пассажирского поезда , имел турбинный двигатель. Как и французский TGV , более поздние модели использовали альтернативную электрическую трансмиссию. Этот выбор был сделан потому, что компания British Leyland , поставщик турбин, прекратила производство модели, используемой в APT-E, потеряв интерес к технологии газовых турбин после нефтяного кризиса 1970-х годов . [9]
В 1948 году компания ALCO-GE построила прототип газотурбинного электровоза, работающего на жидком топливе, с колесной формулой BBBB . После демонстрационных запусков его приобрела компания Union Pacific , которая искала более мощную альтернативу дизелю для трансконтинентальных поездов. [10]
С начала 1950-х годов у UP был парк из 55 грузовых локомотивов с турбинными двигателями, 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 дальнемагистральных маршрутах и были экономически эффективны, несмотря на низкую топливную экономичность из-за использования «остатков» топлива от нефтяной промышленности. По оценкам железной дороги, на пике своего развития они приводили в движение около 10% грузовых поездов Union Pacific, что гораздо шире, чем любой другой образец этого класса. Поскольку для этих более тяжелых побочных продуктов нефти, особенно для пластмасс, были найдены другие применения, стоимость топлива « Бункера C» увеличивалась до тех пор, пока установки не стали слишком дорогими в эксплуатации, и к 1969 году они были выведены из эксплуатации.
В апреле 1950 года Болдуин и Вестингауз завершили экспериментальный турбинный локомотив мощностью 4000 л.с. (3000 кВт) № 4000, известный как Blue Goose , также использующий колесную формулу BBBB. Локомотив имел два газотурбинных двигателя мощностью 2000 л.с. (1500 кВт), был оборудован для обогрева пассажирских поездов парогенератором, который использовал тепло выхлопных 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 , производственных заказов не последовало, и в 1953 году он был списан .
В 1960-х годах United Aircraft построила пассажирский поезд Turbo , который прошел испытания на Пенсильванской железной дороге , а затем использовался компаниями Amtrak и Via Rail . Via оставался в эксплуатации до 1980-х годов и имел отличные показатели технического обслуживания в этот период, но в конечном итоге был заменен LRC в 1982 году. Компания Amtrak приобрела два разных типа поездов с турбинными двигателями , которые оба назывались Turboliners . Составы первого типа внешне были похожи на T 2000 Turbotrain компании SNCF, однако соответствие правилам безопасности FRA делало их тяжелее и медленнее, чем французские поезда. Ни один из Турболайнеров первого типа не остался в эксплуатации. Компания Amtrak также добавила в свой список несколько турболайнеров Rohr Turboliner (или RTL) с одинаковым названием. Были планы перестроить их в RTL III, но эта программа была отменена. Единицы, принадлежащие штату Нью-Йорк, были проданы на металлолом, а три оставшихся поезда RTL хранятся в Норт-Брансуике, штат Нью-Джерси , и Нью-Хейвене, штат Коннектикут . [12]
В 1966 году компания Long Island Rail Road провела испытания экспериментального газотурбинного вагона (под номером GT-1 ), оснащенного двумя газотурбинными двигателями Garrett . Этот автомобиль был основан на конструкции Budd Pioneer III с трансмиссией, аналогичной RDC Бадда 1950-х годов . Позже автомобиль был модифицирован (как GT-2 ), чтобы добавить возможность движения по третьему рельсу с электроприводом. [13] [14]
В 1977 году LIRR испытал еще восемь газотурбинно-электрических/электрических двухрежимных вагонов в рамках эксперимента, спонсируемого Министерством транспорта США . Четыре из этих автомобилей имели трансмиссии, разработанные GE , а остальные четыре - трансмиссии, разработанные Гарреттом (еще четыре автомобиля были заказаны с трансмиссиями GM / Allison , но были отменены). Эти вагоны были внешне похожи на вагоны M1 EMU LIRR , с добавлением ступенчатых колодцев для погрузки с низкоуровневых платформ. Автомобили страдали от плохой экономии топлива и механических проблем, и через короткий промежуток времени были выведены из эксплуатации. Четыре автомобиля с двигателями GE были переоборудованы в электропоезда M1, а автомобили Garrett были списаны. [15]
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. Компания Bombardier Ltd на заводе в Платтсбурге, штат Нью-Йорк, где производилась Acela , разработала прототип ( JetTrain ), который сочетал в себе газовую турбину Pratt & Whitney Canada PW100 и дизельный двигатель с одной коробкой передач, приводящей в действие четыре тяговых двигателя, идентичных двигателям Acela. Дизель обеспечивал мощность головной части и тягу на низких скоростях, при этом турбина не запускалась до тех пор, пока она не покинула станцию. Прототип был завершен в июне 2000 года, а испытания на безопасность были проведены 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 осмотрен по потенциальным объектам высокоскоростного обслуживания, но обслуживание еще не началось.
В Советском Союзе прошли испытания два типа газотурбинных электровозов. Программа испытаний началась в 1959 году и продолжалась до начала 1970-х годов. Грузовой ГТЭЛ Г1-01 производства Коломенского локомотивного завода должен был состоять из двух локомотивов колесной формулы СС, но была построена только одна секция. Пассажирский локомотив ГП1 представлял собой аналогичную конструкцию с кузовом тепловоза ТЭП60 , также с колесной формулой СС, введенного в программу испытаний в 1964 году. Коломенским заводом были построены два агрегата — ГП1-0001 и ГП1-0002, которые также использовались в регулярном сообщении с пассажирскими поездами. Оба типа имели максимальную выходную мощность 2600 кВт (3500 л.с.). [16]
Еще один советский газотурбинно-гидравлический грузовой тепловоз типа ГТ101 был разработан и выпущен в 1960 году Луганским паровозостроительным 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 максимальной мощностью 2200 кВт (3000 л.с.) и гидравлической трансмиссией. В отличие от других локомотивов, он не находился в регулярной эксплуатации. [17]
В 2006 году РЖД представила переключатель ГЭМ-10 ГТЭЛ. Турбина работает на сжиженном природном газе (СПГ) и имеет максимальную выходную мощность 1000 кВт (1300 л.с.). ГЭМ-10 имеет колесную формулу CC. TGEM10-0001, использующий ту же турбину и топливо, что и GEM-10, представляет собой двухсекционный ( корова-теленок ) переключатель GTEL с колесной формулой B-B+BB . Ведомый агрегат этого локомотива используется в качестве заправщика сжатого природного газа (КПГ) и не имеет первичного двигателя , поэтому его тяговые двигатели питаются от основной секции. Турбина этого локомотива также имеет максимальную мощность 1000 кВт (1300 л.с.). [18]
.jpg/1280px-%D0%93%D0%A21h-002_(cropped).jpg)
Грузовой ГТЭЛ ГТ1-001, переделанный из электровоза ВЛ15 в 2006 году и представленный в 2007 году, работает на СПГ и имеет максимальную мощность 8300 кВт (11100 л.с.). [19] В одной секции находится резервуар для СПГ, в другой — турбина с выработкой электроэнергии, и в обеих секциях есть тяговые двигатели и кабины. Локомотив имеет колесную формулу ВВ-В+ВВВ , возможна сцепка до трех локомотивов GT1. [20] 23 января 2009 года GT1-001 провел пробный запуск поезда из 159 вагонов весом 15 000 метрических тонн (14 800 длинных тонн; 16 500 коротких тонн); дальнейшие испытания на тяжелые перевозки были проведены в декабре 2010 года. [21] В ходе пробного запуска, проведенного в сентябре 2011 года, локомотив протащил 170 грузовых вагонов весом 16 000 метрических тонн (15 700 длинных тонн; 17 600 коротких тонн). [22] В 2012 году вспомогательный дизельный двигатель, используемый для маневровых работ, был заменен аккумулятором, а локомотив был переименован в GT1h (где «h» означает гибрид ). GT1h-001 так и остался прототипом и в производство так и не пошел. [23]
Преемником GT1h-001 является GT1h-002. Несмотря на то же типовое обозначение, этот локомотив имеет принципиально иную конструкцию с колесной формулой (ВВ)-(ВВ)+(ВВ)-(ВВ) , заимствованной от маневрового тепловоза ТЭМ7, и новым кузовом с открытым баком для СПГ, заимствован из кузова электровоза 2ЭС6. Максимальная выходная мощность этого серийного типа составляет 8500 кВт (11400 л.с.). [23] Оба локомотива GT1h находятся в эксплуатации в Егоршино Уральского региона . [16]
Канадские национальные железные дороги (CN) были одним из операторов Turbo , которые были переданы Via Rail . Они работали на основном маршруте Торонто – Монреаль в период с 1968 по 1982 год, когда их заменил LRC .
В 2002 году компания Bombardier Transportation объявила о запуске JetTrain , высокоскоростного поезда, состоящего из наклоняемых вагонов и локомотива с турбовальным двигателем Pratt & Whitney . Были сделаны предложения использовать поезда по маршрутам Квебек-Виндзор, Орландо-Майами, а также в Альберту, Техас, Неваду и Великобританию. Один прототип был построен и испытан, но ни один JetTrain еще не продан в эксплуатацию. Однако ни одно из этих предложений так и не вышло, и JetTrain практически исчез, уступив место линейке Bombardier Zefiro, состоящей из высокоскоростных и сверхскоростных поездов с традиционным приводом. JetTrain больше не появляется ни на одном из текущих веб-сайтов или в рекламных материалах Bombardier, 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 побудили перейти на воздушные линии электропередачи для подачи электроэнергии. Однако два больших класса междугородных вагонов с газотурбинными двигателями 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 . Обычно они состояли из силового автомобиля на каждом конце и трех автомобилей между ними. Турбопоезд использовался до 2005 года. После вывода из эксплуатации четыре комплекта были проданы для дальнейшего использования в Иране.
В 1940-х и 1950-х годах как в США, так и в Великобритании проводились исследования, направленные на создание газотурбинных локомотивов, которые могли бы работать на пылевидном угле . Основная проблема заключалась в том, чтобы избежать эрозии лопаток турбины частицами золы. Известно, что был выпущен только один рабочий экземпляр, который после испытаний был списан как неудачный. Источниками следующей информации являются Робертсон [24] и Сэмпсон. [6]
В 1946 году партнерство Northrop - Hendy предприняло попытку адаптировать авиационный двигатель Northrop Turbodyne для использования в локомотивах, используя в качестве топлива угольную пыль, а не керосин. В декабре 1946 года компания Union Pacific передала в дар проекту свой вышедший из эксплуатации обтекаемый локомотив М-10002 . Однако к концу 1947 года от проекта отказались, и нет четких доказательств того, что локомотив, предназначенный для эксперимента, когда-либо действительно двигался под управлением газовой турбины или даже был установлен на нее. [25] Подробности исследования были переданы британским Лондонским, Мидлендским и Шотландским железным дорогам . После роста цен на топливо, который сделал их нефтяные ГТЭЛ нерентабельными, UP экспериментально возродила идею угольных газовых турбин в начале 1960-х годов, выпустив один прототип угольного ГТЭЛ в октябре 1962 года. Проблемы с загрязнением и эрозией лопаток были серьезными. Проект был признан провальным через 20 месяцев, за это время 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 должна была быть построена компанией North British Locomotive Company , а турбина была поставлена компанией CA Parsons and Company .
По словам Сэмпсона, планировалось использовать косвенный нагрев. Угольный порошок сжигался в камере сгорания , а горячие газы направлялись в теплообменник . Здесь тепло будет передаваться в отдельный объем сжатого воздуха, который будет питать турбину. По сути, это был бы двигатель горячего воздуха , в котором вместо поршня использовалась турбина.
Робертсон показывает диаграмму, которая подтверждает информацию Сэмпсона, но также указывает на проблемы с эрозией лопаток турбины пеплом. Это странно, поскольку при использовании обычного кожухотрубного теплообменника не было бы риска попадания золы в контур турбины.
Рабочий цикл
Было два отдельных, но связанных контура: контур сгорания и контур турбины.
Спецификация
Локомотив так и не был построен, но его характеристики были следующими:
Прогнозируемый результат:
Трансмиссия должна была быть механической, через двухскоростную коробку передач, обеспечивающую высокую скорость для пассажирских перевозок и меньшую для грузовых. Приведенные выше цифры тягового усилия выглядят подозрительно высокими для указанных скоростей. Более вероятно, что приведенные цифры относятся к пусковому тяговому усилию и максимальной скорости на высокой и низкой передаче соответственно. Модель предлагаемого локомотива хранится в Музее транспорта Глазго, а некоторые рекорды хранятся в Национальном железнодорожном музее .