ГАЗОТУРБОВОЗ

ГАЗОТУРБОВОЗ - автономный локомотив, на котором в качестве основного (первичного) двигателя использован тепловой - газотурбинный - двигатель. На всех построенных газотурбовозах устанавливался одновальный газотурбинный двигатель с электрической передачей постоянного тока. На нескольких газотурбовозах применен безвальный генератор газа со свободной тяговой турбиной. Первый патент на газотурбовоз с механическим генератором газов и свободной тяговой турбиной был выдан рос.ученому А.Н. Шелесту 16 мая 1922 г. (№ 95277, Швейцария).
Первый газотурбовоз мощностью 1618 кВт был построен в 1941 г. фирмой «Браун-Бовери» (Швейцария), до 1961 г. в разных странах было построено несколько опытных образцов газотурбовозов. Наибольшее развитие газотурбовозы получили в США. Первый опытный газотурбовоз мощностью 3300 кВт был построен фирмой «Дженерал электрик» (General Electric) и в конце 1948 г. поступил в опытную эксплуатацию; всего фирмой было построено 24 локомотива. С 1958 по 1961 гг. было выпущено еще 30 газотурбовозов мощностью 6250 кВт.

В России первый грузовой газотурбовоз ГТ-01 мощностью 2574 кВт с электрической передачей постоянного тока был построен в 1959 г. Газотурбовоз (рис. 1) разделен на три отсека: в переднем расположена кабина машиниста и высоковольтная камера; в среднем — газотурбинный двигатель, редуктор, тяговые генераторы постоянного тока, смонтированные  на  общей  раме; в последнем отсеке расположено вспомогательное оборудование газотурбовоза: дизель мощностью 162 кВт с генератором постоянного тока, тормозной компрессор, отопительный водяной котел для подогрева топлива, бак для топлива, необходимого для работы дизеля и пуска газотурбинного двигателя, топливный бак емкостью 9,5 т тяжелого топлива для газотурбинного двигателя.

Рис.1. Размещение оборудования на газотурбовозе Г1-01 (общий вид и план): 1 - отсек с кабиной машиниста и высоковольтной камерой, 2 — отсек для газотурбинного двигателя, редуктора и тяговых генераторов постоянного тока, 3 - отсек для вспомогательного оборудования

На основе эксплуатационных испытаний на Коломенском тепловозостроительном заводе в 1964 г. были построены два пассажирских газотурбовоза ГП-0001 (рис. 2) мощностью 2574 кВт, на которых были установлены газотурбинный двигатель и электрическая передача, однотипная с передачей грузового газотурбовоза.

Рис. 2. Пассажирский газотурбовоз ГП-0002

В 1958 г. заводами «Шкода» (Чехосло­вакия) был создан опытный образец газотурбовоза мощностью 2350 кВт с регенераторным двухвальным газотурбинным двигателем и тяговой турбиной, связанной через двухступенчатый редуктор и карданные валы с колесами локомотива. В 1960 г. был построен второй образец такого газотурбовоза.

На Луганском тепловозостроительном заводе в 1960 г. был выпущен газотурбовоз с безвальным генератором газа и свободной тяговой турбиной (число оборотов вала 7000 об/мин), связанной с движущими колесами через гидромеханическую передачу, т. к. характеристики турбины не удовлетворяли требованиям тяги при жесткой связи с движущими колесами.
Еще в 1954 г. по заданию Харьковского завода транспортного машиностроения им. В. А. Малышева в Московском Высшем техническом училище им. Н. Э. Баумана под руководством профессора А. Н. Шелеста был разработан проект газотурбовоза с механическим генератором газов с комбинированной теплосиловой установкой, состоящей из газовой турбины и свободнопоршневых генераторов газов (сокращено СПГГ). Такую комбинацию машин можно рассматривать как дальнейшее развитие дизеля с газотурбинным наддувом, у которого вся мощность используется для привода турбины, являющейся источником механической энергии. При этом сам дизель из обычной поршневой машины с шатунно-кривошипным механизмом превращается в более простую машину, у которой имеются только поршни, двигающиеся навстречу друг другу или друг от друга.
Каждый СПГГ имеет две пары поршней: два большего диаметра и два меньшего диаметра. Поршни большего диаметра соединены с поршнями меньшего диаметра. Поршни меньшего диаметра обращены друг к другу и могут передвигаться по внутреннему цилиндру, имеющий продувочные окна и форсунку для подачи жидкого топлива. Поршни большего диаметра помещены в компрессорные цилиндры. Пуск СПГГ осуществляется подачей сжатого воздуха в крайние полости компрессорных цилиндров. При этом поршни идут навстречу друг другу, происходит сжатие воздуха в полости между малыми цилиндрами. В конце хода поршней подается топливо, оно воспламеняется, давление в малом цилиндре резко возрастает и поршни расходятся, открываются продувочные окна, и сжатый во внутренних компрессорных полостях воздух продувает среднюю полость. Так как во внешних компрессорных полостях находившийся там воздух сжимается, то создаются воздушные буфера (подушки), останавливающие расходящееся движение поршней, а затем заставляющие поршни опять сходиться. Далее процесс повторяется. Процесс двигателя внутреннего сгорания в СПГГ — двухтактный. Продукты сгорания из него поступают в рессивер, а оттуда к газовой турбине. Так как температура смеси продуктов сгорания и воздуха при расширении их падает, то при одной и той же температуре смеси, подводимой к лопаткам турбины в СПГГ, возможно иметь более высокую температуру при сгорании топлива, чем в камерах сгорания, из которых смесь поступает непосредственно к лопаткам турбины. Это обстоятельство позволяет за счет подвода тепла в виде нагретого компрессором воздуха осуществить более экономичный процесс сжигания топлива в цилиндрах СПГГ, чем в камерах сгорания обычных газотурбовозов. Преимуществом системы СПГГ над системой газотурбинной установки с камерой сгорания является также отсутствие компрессора, роль которого выполняют поршни большего диаметра СПГГ, и возможность получения малого расхода топлива на холостой работе турбины за счет остановки части СПГГ. Число циклов СПГГ регулируется количеством подаваемого топлива.
Строго говоря, газотурбовоз с СПГГ можно отнести к классу тепловозов, у которых газовая турбина играет роль газовой передачи.
В 1960 г. Луганский тепловозостроительный завод им. Октябрьской революции построил экспериментальную секцию газотурбовоза ГТ101-001.

Рис.3 Газотурбовоз ГТ-101

Газотурбовоз в октябре 1961г. демонстрировался на выставке локомотивов на Рижском вокзале в Москве. При испытаниях на путях МПС газотурбовоз не развивал полную мощность (3 000 л. с), затруднена была также регулировка мощности — работа СПГГ с малой подачей топлива и переход на режим с выключением отдельных генераторов газа. В связи с этим завод изготовил новые СПГГ типа ОР-95 с такими же диаметрами цилиндров и ходом поршней, как и у первых СПГГ, и в период 1962—1965 гг. проводил стендовые и наладочные работы. В конце 1965 г. газотурбовоз начал совершать опытные поездки с составами.

Создание газотурбовозов совпало с началом развития и совершенствования газотурбинных двигателей, когда их экономичность не могла конкурировать с дизелями, внедряемыми на тепловозах, потому газотурбинная тяга не получила дальнейшего развития.
Создание новых газотурбовозов связано с успехами в развитии газотурбинных двигателей, особенно в части повышения их экономичности. Наиболее эффективно их применение на участках, где требуется повышенная скорость и малая нагрузка на ось.

В 2007 году На Куйбышевскую дорогу прибыл принципиально новый для наших дорог локомотив — газотурбовоз ГТ1. Его проект разработали специалисты коломенского ВНИКТИ, Самарского научно-технического комплекса имени Н.Д. Кузнецова (газотурбинный двигатель НК-361), Лысьвенского электротехнического завода (генераторы). Нижнетагильского «Уралкриогенмаша» (криогенный блок), ряда других организаций.  Опытный образец газотурбовоза был собран на Воронежском тепловозоремонтном заводе.

Рис.4 Современный газотурбовоз

Локомотив состоит из двух секций: тяговой и бустерной, каждая с кабиной управления. В тяговой секции расположены силовой блок, включающий газотурбинный двигатель, тяговый и вспомогательный генераторы, систему подготовки газов, винтовой тормозной компрессор, систему вентиляции электрических машин, аппаратные шкафы.
На бустерной секции находятся криогенная емкость с запасом топлива массой 17 т, обеспечивающая пробег до 1000 км, вспомогательный дизель-генератор, система вентиляции электрических машин, аппаратные шкафы. Вспомогательный дизель-генератор применя­ется для приведения систем газотурбовоза в рабочее состояние, совершения маневров и для запуска газотурбинного двигателя, после чего он выключается.
Уровень шума работающего газотурбовоза не превышает 80 дБ. Локомотив оснащен современными микропроцессорными системами управления, диагностики, контроля безопасности движения. Дисплей на пульте машиниста отображает всю важнейшую информацию о режимах работы узлов. Имеется система видеонаблюдения за газотурбинным и дизельным отсеками, подвижными гибкими трубопроводами криогенного топливо между секциями газотурбовоза, за кабинами машиниста. Но обеих кабинах смонтированы системы обозрения пути.

В 2007 г. на Воронежском тепловозоремонтном заводе был построен газотурбовоз ГТ1 -001, работающий на газообразном топливе. Основой силового блока стал двухвальный газотурбинный двигатель НК-361 со свободной силовой турбиной мощностью 8,3 МВт. Вал силовой турбины с помощью соединительной муфты связан с роторами тягового и вспомогательного генераторов мощностью, соответственно, 7370 и 600 кВт. Локомотив включает в себя две шестиосные секции, каждая из которых опирается на три двухосные тележки. В одной секции находятся криогенная емкость и часть газовой аппаратуры, в другой — силовой блок. Обе секции оснащены кабинами управления.
В октябре 2009 г, ОАО «РЖД» получило Диплом Книги рекордов Гиннесса за создание самого мощного в мире магистрального газотурбовоза, работающего на сжиженном природном газе. А в сентябре 2011 г в рамках III Международного салона «ЭКСПО 1520" локомотив ГТ1-001 поставил новый мировой рекорд, проведя грузовой состав весом 16 тыс. т (170 вагонов) по путям Научно-испытательного центра ОАО «ВНИИЖТ» (ст. Щербинка).
В ходе отладки и модернизации опытного локомотива его конструкцию дополнили мощной аккумуляторной батареей — накопителем электрической энергии. Это позволило сделать более равномерной загрузку силовой установки и осуществлять маневровые передвижения локомотива за счет накопленной энергии, чтобы не эксплуатировать мощную газовую турбину на режимах малых нагрузок. Так локомотив получил гибридный силовой привод, соответственно, новое обозначение ГТ1h-001.
Следующий образец магистрального газотурбовоза, получившего обозначение ГТ1h-002, был создан и показан в 2013 г. на IV Международном салоне "ЭКСПО 1520», проходившем на территории Научно-испытательного центра ОАО "ВНИИЖТ». Газотурбовоз, который представляла компания "Синара-Транспортные машины» (г. Екатеринбург), выглядел настоящим гигантом на рельсах. Постройку газотурбовоза ГТ1h-002 осуществил Людиновский тепловозостроительный завод, входящий в состав ОАО «Синара-Транспортные машины».

(Кликните по картинке для увеличения)

Этот локомотив, как и его предшественник, является гибридным — он оборудован блоком аккумуляторных батарей, которые могут использоваться для проведения маневровых работ без запуска турбинного двигателя.
Имея одинаковое обозначение серии, новый локомотив по конструкции принципиально отличается от предыдущего. Он содержит полностью построенную заново экипажную часть, созданную на основе главной рамы и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации тележек тепловоза ТЭМ7А

Длина каждой секции локомотива 21,5 м, а его общая длина — 43 м. Масса бустерной секции с емкостью для хранения сжиженного природного газа 184 т. Аналогичную массу имеет тяговая секция, на которой расположена силовая установка. Таким образом, общая масса локомотива составляет 368 т, максимальная нагрузка на ось —23тс. Конструкционная скорость— 100 км/ч.
Газотурбовоз оснащен турбиной мощностью 8450 кВт, которая обеспечивает силу тяги 7335 кВт в длительном режиме и 8000 кВт — в часовом. Тяговое усилие при трогании с места составляет 9810 кН. Турбина приводит синхронный тяговый генератор, который питает тяговые двигатели постоянного тока через выпрямитель.
Особенностью нового газотурбовоза стала принципиально новая концепция экипировки и хранения газового топлива. Криогенная емкость выполнена в виде контейнера, имеющего стандартные габариты и монтажные размеры. Это позволяет осуществлять дозаправку емкости сжиженным газом как прежним способом, т.е. при нахождении ее непосредственно на локомотиве, так и ее заменой. В этом случае по прибытии локомотива в пункт оборота криогенный контейнер с помощью крана снимается с локомотива, а на его место устанавливается ранее заправленный сжиженным газом. Это сокращает время простоя локомотива для экипировки. Кроме того, контейнер может быть пополнен на газозаправочной станции. Криогенная емкость имеет геометрический объем 46 м3 и вмещает до 20 т сжиженного газа.
К разработке и поставке основных узлов были привлечены так­же другие промышленные предприятия России. Как уже отмечалось, специалисты самарского ОАО «СНТК имени Н.Д. Кузнецова» спроектировали, а затем изготовили, используя но­вейшие материалы и технологии, силовой блок. На предприятии «Электротяжмаш-Привод» (г. Лысьва) разработали и построили уникальный генератор. На ОАО «Уралкриомаш» подготовили проект и сделали емкость для хранения сжиженного газа.
На газотурбовозе rT1h-002 применяется криогенный насос производства фирмы «Fives Cryiomec» (Швейцария), а также криогенное оборудование, разработанное и изготовленное ООО «Криомаш-БЗКМ» (г. Балашиха). Тяговые двигатели поставило ГП «Электротяжмаш» (г. Харьков). Кабина газотурбовоза, пульты управления, преобразователь собственных нужд спроектированы и собраны на НПО «Автоматика» (г. Екатеринбург). Кроме того, при изготовлении газотурбовоза ГТ1 h-002 применяется типовое и вновь разработанное оборудование ряда предприятий России, а также Германии, Великобритании и других стран.

Газотурбовоз предназначен для эксплуатации на неэлектрифицированных участках железных дорог общего пользования, в частности, в районах Сибири и Крайнего Севера, для вождения грузовых поездов повышенной длины и массы. Согласно договору, заключенному с ОАО «РЖД», доводка, испытания и сертификация локомотива должны завершиться до 1 июля 2014 г. Если газотурбовоз ГТ1h-002 покажет соответствие установленным техническим и экономическим параметрам, то ОАО РЖД планирует подписать к 1 января 2015г. контракт еще на 39 локомотивов, которые должны быть поставлены до 2020 г.
А пока на участке Серов-Сортировочный — Карпунино — Алапаевск — Егоршино — Березит — Аппаратная Свердловской дороги продолжается подконтрольная эксплуатация газотурбово­за ГT1h-001. Его поездки начались с грузового состава массой 2300 т. Постепенно нагрузка возрастала. Сейчас для локомотива формируют составы массой до 9000 т. Газотурбовоз при сравни­тельно небольших размерах и массе способен развивать значительную мощность и может заменить до пяти тепловозов.

В начало страницы