Советский строй открыл безграничные просторы для развития науки, для широкого применения ее достижений в социалистическом производстве. Во всех важнейших отраслях народного хозяйства нашей страны есть научно-исследовательские институты, занимающие видное место в системе научных учреждений СССР.

Отраслевые научно-исследовательские институты в содружестве с коллективами предприятий разрабатывают и внедряют в производство прогрессивную технику, создают новые типы оборудования для промышленности, сельского хозяйства и транспорта, совершенствуют технологические процессы. Достаточна сказать, что машиностроительная промышленность ежегодно создает 600—700 новых типов станков, машин и механизмов, облегчающих труд и повышающих его производительность.

Уважаемые пользователи! Не забывайте, пожалуйста, при копировании любых материалов данного сайта яруга.рф оставлять активную гиперссылку на копируемые материалы этого сайта.

Однако отдельные отрасли народного хозяйства отстают в разработке и внедрении новых экономичных и высокопроизводительных машин, соответствующих современному уровню техники.

Одною из таких отраслей является и тепловозостроение. В тепловозах все еще ограничиваются использованием электропередач. А между тем электропередача обеспечивает вовсе не лучшее, не единственное и не самое совершенное использование дизеля на тяговой машине.

Всякая передача отнимает у двигателя какую-то долю его мощности, растрачиваемую на трение передаточных частей механизма и на покрытие других потерь, а электрическая к тому же значительно усложняет конструкцию, еще более увеличивает стоимость тепловоза и усложняет его эксплуатацию. Вот почему проблему тепловоза нельзя считать окончательно решенной применением электропередачи.

Правда, многократные попытки решить проблему иным путем до сих пор не привели к успеху, но каждая из этих попыток, обнажая новые и новые противоречия, ближе и ближе ведет нас к цели.

Известно, что внедрению тепловозов в значительной мере мешает необходимость использования ими высокоценного и дефицитного жидкого топлива. Поэтому широкие перспективы применения этих локомотивов открывает замена жидкого топлива твердым.

В 1932—1936 годах Ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта разработал проект газогенераторного тепловоза. В проекте предусматривалась установка на тепловозе газового четырехцилиндрового четырехтактного горизонтального двигателя мощностью 2 450 лошадиных сил при 300 оборотах в минуту. На тендере тепловоза размещалось пять газогенераторов с механической загрузкой. Вследствие сложности и громоздкости всего тепловоза проект не был осуществлен.

В 1934 году инженер Г. К. Хлебников выдвинул идею газобаллонных тепловозов с получением газа на центральных газогенераторных станциях. Баллоны со сжатым газом размещались на прицепляемом к тепловозу тендере. Однако это предложение не было осуществлено.

В 1938—1939 годах коломенский завод построил газогенераторный теплопаровоз. В двигателе с расходящимися поршнями средние полости являлись как бы газовым двигателем с низким сжатием, а крайние — паровой машиной. К теплопаровозу прицеплялся тендер с газогенератором. Во время наладочных испытаний двигатель работал. Однако вследствие сложности, высокой стоимости и низкой экономичности газогенераторный теплопаровоз оказался бесперспективным, и работы над ним были прекращены.

В 1942—1944 годах по предложению инженеров А. А. Пойдо и П. В. Якобсона был сделан технический проект перевода тепловоза серии Э-ЭЛ на смешанное топливо. Основным топливом для двигателя являлся газ, получаемый из угля в газогенераторной установке на тендере. Для запала рабочей смеси служило жидкое топливо. Проект не получил реализации вследствие того, что тепловозы серии Э-ЭЛ к тому времени устарели. Поэтому возник вопрос о переводе на смешанное топливо современного тепловоза ТЭ-1.

Переход к проектированию и строительству мощного двигателя, работающего на генераторном газе из угля, можно было осуществить, лишь решив вопросы питания двигателя газом и сжигания смешанного топлива.

После исследований, произведенных во Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта, в 1950 году проектирование было закончено. Тогда же была начата постройка газогенераторной установки и переделка серийного тепловоза ТЭ-1 для работы на смешанном топливе.

Испытания этого тепловоза были положены в основу создания первой опытной партии газогенераторных тепловозов на базе тепловоза серии ТЭ-1 и одного тепловоза в 2 тысячи лошадиных сил на базе тепловоза ТЭ-2. Тепловозы серии ТЭ-1 были переделаны Улан-Удинским паровозостроительным заводом и пущены в опытную эксплуатацию.

В 1952 году харьковский завод построил по схеме газогенераторного тепловоза ТЭ-1 и техническим условиям Министерства путей сообщения на базе серийного тепловоза ТЭ-2 мощный газогенераторный тепловоз, получивший серию ТЭ-4.

В этих машинах обычные их двигатели переведены на смешанное топливо, причем расходуется 15— 25 процентов тепла жидкого топлива и 75—85 процентов газа, получаемого из твердого топлива. При таком способе перевода тепловоза на газ мощность двигателя и его коэффициент полезного действия несколько ниже, чем на жидком топливе, но все же раза в три выше, чем у паровоза. Двигатель требует весьма незначительных переделок, а сам тепловоз сохраняет надежность и эксплуатационную маневренность тепловоза жидкого топлива.

Работа двигателей внутреннего сгорания на смешанном топливе основана на разности температур самовоспламенения газо-воздушиой смеси и смеси воздуха с жидким топливом. Температура самовоспламенения газо-воздушной смеси выше температуры самовоспламенения смеси жидкого топлива с воздухом. Жидкое топливо является средством воспламенения газо-воздушной смеси в цилиндрах, а при ухудшении качества газа компенсирует недостаток тепла, получаемого при сгорании газа, тем самым сохраняя номинальную мощность двигателя.

Система питания цилиндров двигателя жидким топливом в основном сохранена.

Питание цилиндров двигателя воздухом и газом осуществляется раздельно через всасывающие клапаны. Смешение воздуха и газа происходит в цилиндрах двигателя. Этот способ дает возможность обойтись без смесителей.

Принятая схема переоборудования двигателя позволяет работать как на смешанном топливе, так и на одном жидком топливе, что сохраняет маневренные качества тепловоза и надежность в работе.

Расход топлива газогенераторными тепловозами ТЭ-1 оказался выше расхода топлива серийными тепловозами, ио все же он значительно ниже, чем у паровозов.

Внедрение газогенераторных тепловозов может оправдываться тем, что у них по сравнению с паровозами получается высокая экономия топлива и воды. Тепловозы на смешанном топливе могут получить более широкое применение, чем на жидком топливе. На том же жидком топливе, которое отпускают железнодорожному транспорту, можно эксплуатировать газогенераторных тепловозов в три раза больше, чем тепловозов только на жидком топливе.

Пробеги газогенераторных тепловозов на линии и результаты, полученные при тягово-эксплуатационных испытаниях, показали, что газогенераторные тепловозы могут выполнять работу с теми же показателями, что и серийные тепловозы.

Десять газогенераторных тепловозов, построенных на базе тепловоза ТЭ-1, работают на Приволжской железной дороге. К сожалению, газогенераторный тепловоз ТЭ-4 харьковского завода еще не доведен до серийного образца.

Все это положило, конечно, только начало созданию экономичного локомотива на твердом топливе и развитию повой отрасли железнодорожной техники.

Конструкторское бюро коломенского завода не случайно обратилось к идее теплопаровоза, то есть локомотива, в котором были бы использованы преимущества дизеля и паровой машины путем объединения работы обоих двигателей.

Мысль соединить дизель и паровую машину явилась впервые у английского изобретателя Стилля. Вначале он построил стационарный тепло-паровой двигатель, работавший так. Поршень движется в одну сторону давлением пара, как в паровой машине, а обратный ход его совершается, как в дизеле, под давлением газов, образующихся от сгорания топлива. При этом тепло дизельной части цилиндра используется для подогрева воды. Отработавшие газы дизеля идут также на подогревание котла. Для пуска в ход паровой котел нагревается особой нефтяной топкой, но когда двигатель уже начал работать, в котле для парообразования оказывается достаточным того тепла, которое развивается в дизельной части. Коэффициент полезного действия у такого двигателя доходит до 30 процентов.

Двигатель Стилля, установленный на пароходе «Долиус», вероятно, оправдал себя на практической работе, так как вскоре англичане построили второй такой же теплопароход.

Вслед за тем на заводе Китсона в Лидсе был построен теплопаровоз Китсона—Стилля. На нем было осуществлено такое же сочетание дизеля и паровой машины, но с некоторыми особенностями в конструкции. На теплопаровозе имеется всего восемь цилиндров, по четыре в ряд, параллельно расположенных под котлом и не видных со стороны. Первый ряд цилиндров обращен штоками к дымовой трубе, а второй — к будке машиниста. Штоки соединены с движущимися осями посредством передачи.

Этот теплопаровоз не дал возможности судить, насколько такой тип локомотива обладает гибкостью паровоза и экономичностыо дизель-мотора.

Впрочем, мы можем судить о тяговой машине этой конструкции по опыту советского теплопаровоза.

Чтобы объединить в локомотиве достоинства дизеля и паровой машины, устранив в то же время свойственные им недостатки, прежде всего, конечно, приходит в голову идея пользоваться ими попеременно: при трогании с места и на подъемах пусть работает паровая машина, а при больших скоростях и на ходу — дизель.

Вопрос заключается в том, как объединить работу пара и продуктов сгорания в одном цилиндре? Советский конструктор Л. М. Майзель предложил в каждом из цилиндров локомотива ставить два поршня, расходящихся в противоположные стороны. Локомотив начинает свою работу как паровоз, но пар подается то с внешних сторон, сближая поршни, то в промежугках между ними, заставляя разбегаться. Конечно, штоки таких расходящихся поршней, если бы их соединить непосредственно с движущимися осями, вращали бы колеса в противоположные стороны. Поэтому поршневые штоки соединены непосредственно с отбойными валами, а валы уже связаны с дышлами, вращающими колеса движущихся осей.

Как только скорость локомотива достигает уровня, на котором возможно работать дизелем, машинист выключает пар и вдувает в промежуток между поршнями сжатый воздух. Цилиндр очищается от пара и начинает работать по дизельному циклу. Сближающиеся поршни сжимают остающийся воздух и нагревают его до температуры воспламенения топлива, затем в промежуток между сблизившимися поршнями подается доза горючего, оно вспыхивает, газы раздвигают поршни, и паровая машина превращается временно в двигатель внутреннего сгорания.

Такая объединенная конструкция имеет свои преимущества. Ведь для пуска дизеля нужна посторонняя сила. На тепловозах, как мы говорили, запуск дизеля электрический, но обычно он пускается в ход при помощи сжатого воздуха, накопляемого компрессором, который приводится от самого дизеля. При объединении в цилиндре паровой машины и дизеля особый запуск не нужен, так как паровой цилиндр превращается в дизельный на ходу.

Идея Майзеля нашла применение в теплопаровозе, сконструированном ворошиловградским паровозостроительным заводом.

Теплопаровоз — сильная машина. Паровой котел у него вдвое меньше, чем у паровоза ИС, но мощность обоих локомотивов, как и скорость их, примерно одинакова. Давление в котле теплопаровоза достигает 20 атмосфер. Паровые котлы с таким давлением пара у нас еще не строились, и опыт такого рода очень важен.

Питательная вода сначала охлаждает цилиндр дизеля, а потом уже идет в котел. Таким образом, тепло дизеля подогревает котловую воду, а не теряется зря, как обычно. В общем получается очень хорошее использование тепла, растрачиваемого дизелем, и достигается в два раза больший коэффициент полезного действия, чем у самых хороших паровозов.

Все как будто бы отлично. Однако для продувки цилиндра при превращении его из парового в дизельный сжатый воздух все-таки нужен, а значит, нужен и компрессор. А отбойные валы, объединяющие работу противоположно движущихся поршней, по сути дела, играют такую же роль, как и механическая передача. Если к этому добавить невероятную сложность конструкции, то понятно, почему основательные испытания этого теплопаровоза заставили завод отказаться от постройки новых машин этого вида.

Неудача с теплопаровозом не остановила, конечно, поисков новых способов объединения в локомотиве достоинств дизеля и паровой машины с устранением в то же время свойственных им недостатков.

Такой способ найден был конструктором «тепловоза непосредственного действия» М. И. Пригоровским.

Основные недостатки дизеля состоят в том, что у него нельзя резко менять скорость хода. Дизель, делающий, скажем, 200 оборотов в минуту, не станет работать меньше, чем при 100 оборотах. Дальнейшее замедление хода поршня приведет к медленному сжатию воздуха, и температура в цилиндре окажется недостаточной для самовоспламенения горючего. Кроме того, понизится и экономичность двигателя, так как именно вследствие высокого сжатия он экономичен.

Нельзя повысить мощность дизеля и увеличивая дозу горючего: цилиндр всасывает строго определенное количество воздуха, и в нем может сгореть только ограниченное количество топлива.

Михаил Иванович Пригоровский взглянул на дело иначе. Студентом работая у конструктора самолетов, он изучил на практике мощные бензиновые двигатели. С дизелями его познакомил профессор Косицкий один из первых теоретиков и историков дизелестроения. Окончив Киевское железнодорожное техническое училище, Пригоровский работал и машинистом, и слесарем, и ремонтным рабочим.

Таким образом, и паровоз и моторы Пригоровский знал как своп пять пальцев. Тогда-то ему и пришла мысль перестроить дизель так, чтобы он обладал сверх своих собственных качеств еще и превосходными качествами паровой машины.

В чем они заключались?

Пригоровский »стал, отвечая себе па этот вопрос, на несколько необычную, но совершенно правильную и, главное, очень ясную точку зрения. Он рассуждал таким образом: паровой котел с топкой является генератором, то есть производителем пара. В топке котла топливо сгорает и превращает воду в упругий и горячий пар. Сгорание топлива и парообразование протекают беспрерывно и устойчиво. Пар — уже готовый вид энергии — поступает в цилиндр в большем или меньшем количестве. Поэтому возможность в самых широких пределах регулировать машину вытекает из того, что она является приемником готовой энергии. Дизель нуждается в энергии извне лишь при запуске; в дальнейшем он сам производит энергию — расширяющиеся при сгорании топлива газы. Для того чтобы дизель получил свойства паровой машины, ему не хватает при уменьшении мощности воспламеняющего горючее приспособления, а при увеличении ее — воздуха, нужного для сгорания топлива. Пригоровский решил восполнить эти недочеты в специальном тяговом двигателе.

В тепловозе Пригоровского устанавливается компрессорный агрегат, так сказать, «воздухогенератор», заготовляющий для тягового дизеля сжатый воздух. Эта установка имеет свой вспомогательный дизель, она же снабжает энергией и запальное приспособление тягового дизеля.

Тяговый дизель вращает движущие колеса. Он оборудован автоматическим устройством, распределяющим топливо и воздух. Помимо нормального всасывания воздуха, в цилиндр тягового дизеля подается еще дополнительный заряд сжатого воздуха вместе с топливом, когда требуется большая мощность машины Впуск топлива и воздуха тут похож на отсечку пара в паровой машине и ведет к таким же результатам. Кулисный механизм для распределения сжатого воздуха и подачи топлива делает управление тепловозом не более трудным и сложным, чем паровозом.

Пригоровский взял патент на изобретенную им систему тягового двигателя для тепловоза еще в 1922 году. Проект, представленный Пригоровским, подвергся обсуждению. Конструктора премировали. Он истратил деньги на перестройку старого дизель-мотора в тяговый н в мастерских индустриального института стал проводить первые опыты.

Они заняли довольно много времени. В конце концов изобретатель добился полного успеха: тяговый двигатель работал нормально, обладая свойствами паровой машины.

Проект Пригоровского снова подвергся обсуждению, ему даже отпустили средства на дальнейшие опыты, но внедрение новой техники — дело трудоемкое, а иногда и длительное.

Лишь незадолго до начала Великой Отечественной войны окончательно решено было осуществить интереснейший проект Пригоровского. Война задержала начатую работу.

Тепловоз непосредственного действия спроектирован на скорость хода 150 километров в час и на мощность 4 200 лошадиных сил. Без тендера тепловоз может совершить безостановочный пробег в 1000 километров, а с тендером, увеличивающим запас топлива,— 10 тысяч километров.

Талантливый советский конструктор, по сути дела, создал специальный тяговый двигатель, уже ничего не имеющий общего с дизелем, поскольку в нем нарушен цикл Дизеля и введен совершенно оригинальный рабочий процесс.

Развитие двигателя Дизеля, чрезвычайно поднявши го значение нефти, как топлива, способствовало обострению борьбы между углем и нефтью, между промышленными группами, чьи интересы были с ними связаны. Эта борьба помогла не только развитию двигателей Дизеля и усовершенствованию паровых котлов и паровых двигателей, переходивших к применению пара высокого давления для повышения экономичности паровых машин, но имела громадное значение для развития нового типа двигателя, получившего название «паровая турбина». Этот двигатель, внедряясь одновременно с дизелем во все области промышленности и транспорта, взгромоздился, наконец, на колеса и в качестве турбовоза явился на железную дорогу отстаивать здесь старинные права угля и пара.

В то время как одна часть изобретателей, исходя из готовой технической формы цилиндра и поршня, работала над созданием двигателя внутреннего сгорания с прямолинейно-возвратным движением, с преобразованием этого движения во вращательное путем кривошипно-шатунной передачи, другая часть стремилась к созданию двигателя с непосредственным вращательным движением.

К концу прошлого века появились центробежные насосы, центрифуги, сепараторы — машины, вращавшиеся с неслыханной скоростью. Затем были изобретены динамо-машины, генераторы, вырабатывающие электрический ток. При этом оказалось, что генераторы работают нормально, делая 3 тысячи оборотов в минуту.

Подобным машинам нужны двигатели с равным числом оборотов, чтобы, не прибегая к передачам, соединять на одном валу двигатель и рабочую машину. Такими двигателями оказались изобретенные к тому времени паровые турбины.

По принципу действия они делятся на два вида. В активных турбинах Лаваля струя пара направлялась на колесо с лопатками. В реактивных турбинах Парсонса пар впускался в ряд лопаток особой формы, укрепленных на одном валу. Выходя из этих лопаток, пар заставлял вал или ротор турбины вращаться.

Паровые турбины имеют ряд преимуществ перед паровой машиной Уатта: большую экономичность, быстроходность, легкость установки'. Но в них оказался и крупный недостаток, а именно: чрезвычайно большая скорость. Турбина Лаваля делала около 30 тысяч оборотов в минуту, а турбина Парсонса — 18 тысяч. Двигатели с такими скоростями- не могли иметь применения, и оба изобретателя начали думать, как бы снизить число оборотов.

Лаваль, не убавляя скорости самого турбинного колеса, что было бы невыгодно, поставил зубчатую передачу, а Плрсоис снизил скорость вращения ротора тем, что заставил пар терять давление постепенно в венцах лопагок, разделив их на особые группы.

Вслед за Лавалем и Парсоисом над усовершенствованием турбин и приспособлением их для разных целен начал работать целый ряд изобретателей: в Америке — Чарлз Кертис, во Франции — Оггост Рато, в Швеции — братья Юнгстрем, в Швейцарии — Генрих Целли.

В течение двух десятилетий паровая турбина сделала огромные успехи. Вслед за стационарными турбинами, оказавшимися очень удобными для электростанций, Пирсоне начал строить судовые турбины, а Целли первым попытался установить турбину на локомотив.

Такой локомотив приемлем для железнодорожного хозяйства уже потому, что движущей силой тут остается пар и значит, вспомогательное оборудование и материальная служба не требуют перестройки. Двойная экономии лари и наличие и самом двигателе вращательного движения делают турбовоз весьма удачным во всех отношениях типом локомотива.

Но перед Целли и братьями Юнгстрем, почти одновременно взявшимися за конструирование турбовоза, возникли большие трудности. Главная из них заключалась в том, как передать работу роторов турбины движущимся осям.

Труднейшую задачу снижения числа оборотов турбинного ротора и соединении движущихся осей с ротором Целли, а потом и Юнгстрем разрешили по примеру Лаваля. Они поставили особою типа рубчатые передачи — геликоидальные, то есть с косой нарезкой зубцов. Забавно, что эти передачи по своим размерам во много раз больше самой турбины.

Чем ближе подвигались конструкторы к цели, тем серьезнее становились противоречия, из которых возникал новый локомотив.

Транспортному двигателю, как воздух для дыхания, нужен реверс — устройство, позволяющее менять прямой ход на обратный. В самой турбине реверса осуществить до сих пор еще не удалось никому, хотя над этим вопросом бились и Лаваль, и Парсонс, и многие другие конструкторы. Парсонс па судах ставил обычно две турбины: большую для прямого хода и менее мощную — для обратного. Так же поступили и конструкторы турбовозов, поставив для каждого хода отдельную турбину.

Турбовозы проектировались как мощные и быстроходные локомотивы, и потому с особенной остротой перед Целли встал вопрос о том, как обеспечить турбовоз водой и в то же время не прибегать к слишком частым остановкам в пути для возобновления ее запасов. И вот Целли решил нарушить старую железнодорожную традицию и снабдить новый локомотив конденсатором, но особого типа.

Установка конденсатора на турбовозе имела целью конденсировать отработавший пар, с тем чтобы образующуюся воду снова направлять в котел. Такой кругооборот воды с незначительными потерями, во-первых, избавил бы от необходимости частых остановок в пути, а во-вторых, создал бы возможность подавать воду в котел очень горячей.

Для такого конденсатора вакуум не нужен, а значит, не нужно и охлаждающей воды.

В обычной атмосфере пар конденсируется при температуре в 80 — 90 градусов, и, значит, безвакуумный конденсатор может быть охлажден просто током воздуха, направленного на конденсационные трубки.

Таким безвакуумным конденсатором и вооружили свои турбовозы Целли и братья Юигстрем, но поступили они различно.

В турбовозе Юнгстремов отработавший в турбине пар проходит через систему трубок, помещенных впереди локомотива и охлаждаемых сильным встречным потоком воздуха на ходу турбовоза. Полученная таким образом вода возвращается в котел, имея температуру около 90 градусов.

Целли поместил свой конденсатор в тендере паровоза, где конденсационные трубки охлаждаются специальным вентилятором. Конечно, из дымовой трубы пришлось убрать конус, через который паровозы выпускают отработавший пар для усиления тяги. Целли заменил это приспособление маленькой турбинкой с вентилятором. Такое переустройство тяги в дымовой трубе оказалось не хуже, а лучше конуса.

Первый турбовоз Целли мощностью в 1 ООО лошадиных сил построил завод братьев Зульцер в В интертуре в 1920 году. В течение пяти лет он подвергался всякого рода испытаниям. О благоприятных результатах их Целли доложил в декабре 1924 года Обществу инженеров-механиков в Нью-Йорке.

После этого завод Круппа построил второй турбовоз системы Целли мощностью в 2 тысячи лошадиных сил. Он начал курсировать на железных дорогах Германии.

В настоящее время в Германии, Швеции и Англии работает довольно много турбовозов, но вопрос о том, насколько они могут заменить старое детище Стефенсона, далеко еще не решен.

Скорость турбовозов около 80 километров в час, и в отношении быстроходности они не имеют никаких преимуществ перед современными паровозами. Хотя турбина экономичнее парового двигателя, но устройство ее сложнее, а применение передачи лишает машину гибкости и увеличивает количество трущихся частей, непроизводительно расходующих энергию на преодоление трения. .

Механическая передача от турбины к движущим осям, примененная в турбовозах Целли и братьями Юнгстрем, оказалась в практический работе неудобной.

Американцы воспользовались практикой электропередачи и построили локомотив с паровой турбиной, вернее с турбогенератором. Соединенный непосредственно с турбиной, он дает электрический ток шести электромоторам общей мощностью в 5 тысяч лошадиных сил.

Это огромная, мощная и быстроходная машина. Американцы правильно назвали локомотив электровозом с паровой турбиной, а не турбовозом. Он вдвое больше обычного паровоза и покрывает втрое большее расстояние без остановок для пополнения запасов топлива и воды. Скорость его 190 километров в час. Паровой котел отапливается нефтью, но более низкого качества, чем потребляемая дизелями. Управление электровозом полностью автоматизировано.

Локомотив сконструирован и построен фирмой «Дженерал электрик компани», имеющей опыт в строительстве военных судов с турбогенераторами.

Гораздо более характерным для транспортной техники США является резкое послевоенное увеличение числа тепловозов с электропередачей на железных дорогах страны. Тепловозная тяга получила здесь такое распространение, что в 1954 году на железных дорогах первого класса 80 процентов всех перевозок осуществлено было тепловозами.

Технический опыт военных лег в значительной мере содействовал появлению еще одного типа локомотива — газотурбовоза. Здесь дизель-мотор заменен газовой турбиной с электрической передачей энергии турбины на колеса. Опытные газотурбовозы такого типа имеются и в других странах, а в настоящее время проектируются и в СССР.

Газотурбовозы отличаются большой мощностью. Так, состоящий всего лишь из одной секции шестиосный газотурбовоз, длиной в 25 метров, развивает мощность в 4 500 лошадиных сил. Коэффициент полезного действия этих машин составляет нечто среднее между коэффициентами полезного действия паровозов и тепловозов. Но надо помнить, что газотурбовозы едва лишь начинают свой путь развития, как, впрочем, и сама газовая турбина.

Идея газовой турбины возникла очень давно, но по-настоящему начали ею заниматься лишь после того, как выяснились преимущества паровой турбины. Проблема истинной газовой турбины внутреннего сгорания оказалась технически трудно разрешимой.

Сначала появились турбины, работающие так называемыми выхлопными газами, отходящими от тех или иных двигателей внутреннего сгорания. Такая турбина была предложена французским инженером Огюстом Рато. Он применил выхлопные газы авиационных двигателей для движения небольшой газовой турбины, соединенной с турбокомпрессором. Турбокомпрессор тут подает сжатый воздух в цилиндры двигателя. Этот так называемый наддув двигателей внутреннего сгорания особенно необходим на большой высоте: разреженный на таких высотах воздух при обыкновенном засасывании не может дать нормальной мощности двигателя.

Позднее наддув двигателей внутреннего сгорания, в том числе и двигателей Дизеля, стал применяться во многих стационарных двигателях, в частности и тепловозных дизелях.

Эта вспомогательная газовая турбинка, вероятно, подсказала английскому инженеру Франку Уиттлу идею использовать газовую турбину для реактивного движения самолетов. В 1930 году, когда ему было всего 22 года, он взял патент на свое изобретение: оно заключалось в разработке путей использования принципа реактивного движения, в усовершенствовании конструкций газовых турбин и воздушных компрессоров, применяемых в сочетании с реактивным движением.

Турбореактивный двигатель получил огромное распространение в авиации. В таком двигателе, для того чтобы обеспечить сгорание нужного количества топлива, перед камерой сгорания во внутреннем потоке ставится компрессор, повышающий давление воздуха до нескольких атмосфер. Компрессор же вращается турбиной, приводимой в действие газами, выходящими из камеры сгорания.

Газовые турбины внутреннего сгорания, осуществлявшиеся на ранней поре, не имели никакого практического значения, так как не пошли дальше первоначальных опытов.

Некоторое значение имели только работы Гольцварта, начатые им в 1908 году и продолжавшиеся два десятилетия: все же они не преодолели технических трудностей в деле создания удовлетворенности работающей турбины.

Однако острый интерес теплотехников к этому типу двигателя никогда не прекращался и не прекращается до сих пор.

Газовая турбина — важнейшее достижение современной теплотехники — удачно сочетает выгодные особенности внутреннего сгорания и паровой турбины как ротационного двигателя.

Большая доля заслуг с созданием турбин внутреннего сгорания принадлежит русским инженерам и ученым. В конце прошлого века инженер-механик русского флота П. Д. Кузьминский сконструировал такую машину в качестве корабельного двигателя. Было немало и других интересных попыток. В 1912 году А. Н. Шелест указал на новый принцип работы тепловых машин в виде механического генератора газов.

Теперь уже умерший Алексей Несторович Шелест, профессор Высшего технического училища имени Баумана, заслуженный деятель науки и техники, отдал более полувека суровому непрерывному труду.

Но когда заходил разговор о его последних работах, Шелест говорил:

— Сделано много, но надо сделать еще больше. Сейчас мне кажется, что сил у меня стало столько, что я добьюсь поставленной перед собой цели. Ну, еще шесть или восемь лет — и наши советские тепловозы получат свою машину...

С удивительным научным предвидением Алексей Несторович еще в 1912 году спроектировал машину для тепловоза. Она получила практическое осуществление за границей через 27 лет — в 1939 году, но по тем же принципам, которые были опубликованы Шелестом еще тогда, когда он был студентом. Не одна эта работа Алексея Несторовича имела большое влияние как на русскую, так и на заграничную теплотехнику. Ему первому удалось установить общий закон теплоемкости. Крупный европейский ученый швейцарский профессор Остертаг писал ему: «Меня очень радует, что вам удалось установить общий закон теплоемкости, который в технике принесет большую пользу».

В 1918 году, на первом съезде начальников тяги железных дорог, Шелест делал доклад о тепловозах. В 1921 году он получил четыре первые премии на конкурсе по созданию лучшей топки для паровозов по разным видам топлива — по торфу, подмосковному углю, по сырым дровам — и па конкурсе по созданию искроудержателя, но не переставал пропагандировать тепловозы.

Работы Шелеста были известны Владимиру Ильичу. На заседании Совета Труда и Обороны в 1922 году по предложению Ленина было решено построить за границей три опытных тепловоза по расчетам Шелеста. Тогда же Алексею Несторовичу, по желанию Владимира Ильича, была предоставлена возможность целиком отдаться проектированию тепловозов.

В области теплотехники труды Алексея Несторовича охватывают многие вопросы. Ряд важных проблем был осуществлен им самим. Творческая энергия его с годами не только не слабела, но возрастала.

— Чудесно работать в наши дни, — говорил он писателю К. Левину, навестившему его в день присуждения высокой награды- — Хочется сделать как можно больше для Родины, для родного народа, а высокая оценка моих скромных трудов побуждает еще больше трудиться.

В руководимой им тепловозостроительной лаборатории неустанно продолжалось совершенствование машины для тепловозов. Алексей Несторович всегда считал, что выгодные по своей экономичности тепловозы займут рано или поздно все же свое место на наших железных дорогах.

Шелест спроектировал и локомотив с газовой турбиной постоянного давления. Он предусматривал и возможность работы турбин на пылеобразном твердом топливе.

Об этих изобретениях А. Н. Шелеста в Чикаго 7 мая 1927 года в механической секции Ассоциации железнодорожников был сделан доклад «Современное состояние тепловозов». В этом докладе, который был затем опубликован, отмечались работы Шелеста над механическим генератором газов и локомотивом с газовой турбиной.

Теорию газовых турбин и современной газотурбинной установки с горением при постоянном давлении создал советский ученый, профессор В. М. Маковский.

Газовая турбина состоит из трех основных частей: компрессора, сжимающего воздух, камеры горения, где сжигается топливо, и турбины. Мощность турбины используется частью для вращения компрессора. Современная машина этого типа в некоторых случаях разделяется на две турбины — компрессорную и главную, которые механически между собой даже не связаны.

Основная трудность решения проблемы газотурбинной установки — в невозможности иметь высокие температуры по условиям жаропрочности металлов. Создание эффективных газовых турбин стало возможным лишь после того, как металлургия освоила производство сплавов, способных более или менее длительное время работать с большими напряжениями и при высокой температуре.

Сейчас металлургическая промышленность поставляет жаропрочные сплавы для газовых турбин, которые работают при температурах §р00—800 градусов и выше. В то же время успехи аэродинамики дали возможность изготовлять компрессоры с высоким коэффициентом полезного действия. Они дают значительное увеличение отношения полезной работы к потерянной на компрессоре.

Для повышения экономичности газотурбинных установок применяются регенераторы, где часть тепла рабочего тела, выходящего из турбины, отдается рабочему теплу, поступающему в камеру сгорания. Газовые турбины турбореактивных двигателей отличаются исключительной несложностью конструкции. Турбина в них используется непосредственно для создания тяги.

Можно без преувеличения сказать, что создание газовой турбины явилось одним из основных условий, обеспечивших развитие турбореактивных и турбовинтовых двигателей, находящих широкое применение в современной авиации.

Однако газовые турбины в стационарных установках и на транспорте применяются еще очень мало.

В авиации насчитываются тысячи газовых турбин. Стационарных газовых турбин во всех странах имеется не более 200, а газотурбовозов — лишь несколько десятков. Коэффициент полезного действия газовой турбины зависит от температуры газа перед соплами: чем выше температура, тем выше коэффициент. Однако по условиям жаропрочности применяемых сплавов современные турбины не допускают высоких температур газа, что приводит к сравнительно невысоким коэффициентам полезного действия. По этим причинам развитие стационарных и транспортных газовых турбин задерживается.

Другим препятствием развитию газотурбостроения служат малоэффективные способы сжигания твердого топлива в камерах турбин, где поэтому приходится применять жидкое топливо. Дело в методах очистки продуктов сгорания от золы, пыли, шлаков. Твердые частицы в рабочем газе содействуют быстрому износу лопаток турбины. Опыт котельных установок очень мало приносит пользы газотурбинным установкам.

Современные достижения в области гидравлики турбин и компрессоров благодаря применению регенерации, промежуточного охлаждения при сжатии воздуха и многоступенчатого сгорания позволяют повысить эффективный коэффициент полезного действия до 30 процентов.

Одно освоение сжигания твердого топлива в газовых турбинах без существенного изменения температуры газа дает возможность построить газотурбовоз с эксплуатационным коэффициентом полезного действия в 12—13 процентов вместо существующих 5—6 процентов у паровоза.

Однако до сего времени как промышленные, так и транспортные газотурбинные установки работают или на жидком топливе, или на природном газе. Результаты проведенных повсюду опытов сжигания твердого топлива в газотурбинных установках внушают надежду на успех. Надо только усилить исследовательскую и конструкторскую работу в этой области, что и "делается в настоящее время с большим размахом.

Честь создания технического проекта первого в нашей стране газотурбовоза принадлежит конструкторам коломенского завода и сотрудникам кафедры турбостроения Московского высшего технического училища имени Баумана. Они работали в тесном содружестве. Серьезную помощь оказали им и строители авиационных газовых турбин.

Этот первый газотурбовоз рассчитан на потребление жидкого топлива — дешевого мазута. В дальнейшем предполагается переход на твердое топливо. Коэффициент полезного действия у газотурбовоза, работающего на жидком топливе, оказывается равным 18 процентам, значительно ниже, чем у дизеля. При повышении температуры в камере сгорания, что зависит только от жаростойкости лопаток и дисков турбины, коэффициент этот может быть увеличен. Вообще такой газотурбовоз вдвое более экономичен, чем паровоз. Особенно он экономичен при работе зимой. Важно и то, что локомотив не нуждается в воде, что делает его особенно удобным на безводных участках движения.

Скорость движения нового локомотива около 100 километров в час. Односекционный газотурбовоз благодаря небольшим размерам силовой установки обладает значительной мощностью при меньшем весе на единицу мощности. Это даст возможность нашему первому газотурбовозу даже самые тяжелые подъемы одолевать со скоростью 30—35 километров в час. За 700—800 километров пути с тяжелым составом одно-секционный газотурбовоз истратит около 12 тонн жидкого топлива, но, повторяем, самого дешевого.

Конечно, управление такой машиной полностью автоматизировано и конструкторами предусмотрены все удобства для водителя. Интересно, что такой локомотив можно переоборудовать в передвижную электростанцию. В этом случае вместо энергопоезда в десять-двенадцать вагонов будет курсировать на линии один энерговагон с газотурбинной установкой мощностью до 5 тысяч киловатт.

Несомненно, что как проектирование, так и постройка газотурбовоза обогатит Коломейцев ценным опытом. Придется прежде всего создать хорошо оборудованную экспериментальную лабораторию для испытания деталей установки и агрегатов. Такой лабо-рагории, к сожалению, еще нет на заводе. По трудно рассчитывать на то, что газотурбовоз на жидком топливе с коэффициентом полезного действия более низким, чем у дизеля, полностью мог бы решить проблему газотурбовоза. Не случайно не нашли широкого применения газовые турбины в качестве тягового двигателя локомотива.

Иное дело, если решится проблема использования твердого топлива в газотурбинных установках. Замена паровозов такими локомотивами открывает путь к огромному снижению расходов угля на железных дорогах, позволяет создавать локомотивы практически неограниченной мощности, допускает значительное повышение скорости движения.

Газотурбовозы на твердом топливе мощностью 6 тысяч лошадиных сил для начала проектируются па ворошиловградском заводе. При содружестве ученых и техников, теоретиков и практиков газотурбовоз будет создан в нашей стране.

Внедрение его должно дать огромный экономический эффект. Газотурбовоз на твердом топливе может работать на топливе любого качества, в том числе и на мелком, и расходует в два раза меньше топлива, чем паровоз. Напомним, что значительная часть всего добываемого в СССР угля сжигается в топках паровозов.

Если заменить паровозы газотурбовозами, то сэкономленного топлива хватило бы для работы всех тепловых электростанций Советского Союза.

Газотурбовозы можно построить мощностью до 8 тысяч лошадиных сил и больше. Это значительно превышает мощность находящихся в эксплуатации локомотивов.

Не решает ли при таком положении дела газотурбовоз проблему совершенного, наиболее экономичного локомотива?

Внедрению газовых турбин в качестве локомотивных двигателей препятствует несовершенство конструкций камер сгорания для твердого топлива и конструкций очистителей запыленного газового потока перед турбиной. Но в инженерном деле в конечном счете все решает конструкция.

Газообразное топливо — одно из самых удобных топлив как для поршневого двигателя внутреннего сгорания, так и для газовой турбины. Но если мы направим газ из газогенератора в цилиндр двигателя, то ничего нового не получим. С точки зрения тепловой экономичности использование газогенераторного газа в цилиндре двигателя более рационально, чем в камере газовой турбины при низких температурах перед турбиной.

Газогенератор в условиях железнодорожной службы пока еще только ищет свое полное конструктивное решение как в комбинации с поршневым двигателем, так и в комбинации с газовой турбиной низких температур.

Непосредственное сжигание угля в камерах газовых турбин явится новым для железнодорожного транспорта. Попытки сжигания угля непосредственно в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания к успеху не привели.

Дизель, проектируя свой двигатель, рассчитывал питать его угольной пылью, но не достиг успеха. Ближайший его сотрудник Рудольф Павликовский в течение сорока лет после Дизеля продолжал работать над созданием угольного мотора, работающего по циклу Дизеля. Накануне войны ему удалось построить такой двигатель, названный им «рунамотор», то есть мотором Рудольфа Павликовского. Секрет оказался будто бы не в слабой прочности материалов, не в плохой конструкции, а в недостаточной размельченности угольной пыли, которую применял Дизель.

Однако дальнейших известий о рупамоторе не появилось. Совершенно ясно, что соединение процессов сжатия, сгорания и расширения в одном цилиндре, удачное для жидкого и газообразного топлива, оказалось непригодным для твердого. Разделение процессов должно оказаться благоприятным при использовании твердого топлива в газовой турбине.

Разделение процессов позволяет осуществить и очистку газов перед их расширением и избежать износа рабочих органов турбины, что помешало использованию угля в цилиндрах двигателей. Газотурбовозов на твердом топливе еще нет, имеются только проекты в США, Англии и СССР. Силовые установки для таких газотурбовозов в США и Англии испытываются на стендах уже в течение шести лет, однако трудности поставленной задачи не преодолены и работы не вышли из стадии экспериментов. Коэффициент полезного действия такого газотурбовоза, конечно, не будет выше, чем у газотурбовоза на жидком топливе.

Сравнивать газотурбовоз на твердом топливе с паровозом можно будет лишь после того, как будут получены данные в результате длительной эксплуатации такой газотурбинной установки. Газотурбовозы на жидком топливе в СССР будут иметь ограниченное применение по условиям экономичности и соотношения цен на твердое и жидкое топливо. Значительное распространение газотурбовоз может получить лишь при использовании твердого топлива.

Основной трудностью при создании газовых турбин с непосредственным сжиганием является проблема очистки продуктов сгорания от частиц золы, шлака и других загрязнений. Опыт показывает, что создание такого очистителя — задача довольно сложная.

Газовая турбина совершила подлинную революцию в авиации. Нет сомнения, что внедрение газовой турбины будет способствовать прогрессу многих отраслей народного хозяйства и в первую очередь энергетики и железнодорожного транспорта.

Но если бы в конце концов удалось создать газотурбовоз с непосредственным сжиганием твердого топлива, без всяких тепловых потерь, с коэффициентом полезного действия, о котором мечтал Карио, могли ли бы мы считать проблему идеального локомотива окончательно и навсегда разрешенной?

Мы знаем теперь, что всякий атом, из совокупности которых состоит вещество, в свою очередь, состоит из ядра, заряженного положительным электричеством, и движущихся вокруг него электронов — мельчайших частиц отрицательного электричества. Их число точно таково, что отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Но так как атомы различных элементов имеют различное число электронов, от одного до ста, то, значит, и положительный заряд ядра неодинаков у атомов различных элементов.

Основная энергия атома заключена в ядре. Состоящая из электронов оболочка содержит незначительную часть атомной энергии.

Сжигая каменный уголь, нефть, керосин, бензин в топках паровых котлов или в двигателях внутреннего сгорания, мы используем энергию электронных оболочек атомов, то есть ничтожную часть всей энергии атома. Неизмеримо большая часть энергии, заключенной в ядре атома, остается неиспользованной.

Сколь не рационально такое хозяйствование, можно судить уже по одному тому, что в одном грамме вещества столько энергии, сколько могут дать при сгорании 3 тысячи тонн каменного угля.

Мы окружены буквально неисчерпаемыми запасами атомной энергии, и вопрос только в том, чтобы найти пути ее использования.

Общим трудом современников пока что найдены два пути использования ядерной энергии: объединение (или сплавление) ядер легких элементов и расщепление ядер атомов в тяжелых элементах — урана или плутония.

I Первый путь привел к созданию водородных бомб, взрывом которых осуществляется сплавление ядер водорода.

Второй путь привел не только к взрыву атомных бомб, но и к созданию атомных котлов, или реакторов, в которых расщепление атомных ядер сопровождается выделением тепла.

Это тепло используется у нас на атомной электростанции для получения пара высокой температуры и давления, направляемого затем в обычный турбогенератор.

Это первое в мире применение ядерной энергии для народнохозяйственных нужд знаменует пришествие нового источника энергии, самого мощного и, вероятно, самого дешевого. Если бы даже не удалось найти, что мало вероятно, других путей и форм использования атомной энергии, то и найденных уже достаточно для оценки перспектив, открывшихся перед человечеством.

Советская атомная электростанция, работая при электрической мощности в 5 тысяч киловатт, расходует 30 граммов урана в сутки. Для получения такой мощности обычным путем на тепловой станции пришлось бы расходовать в сутки около 100 тонн угля.

При таком положении дела прежде всего напрашивается мысль о замене паровых котлов атомными на транспорте, основным препятствием которого является необходимость возить с собой или за собой топливо и притом в огромном объеме, когда речь идет об угле.

Основным препятствием к установке атомных котлов на транспорте является громоздкость атомных реакторов. Для защиты от вредных излучений, происходящих при расщеплении ядер, реакторы изолируются бетоном и свинцом, причем толщина изолирующих стен доходит до 2 метров.

Еще можно говорить об атомных котлах на огромных океанских судах, где при всех условиях атомный котел займет меньше места, чем необходимые запасы угля.

Уважаемые пользователи! Не забывайте, пожалуйста, при копировании любых материалов данного сайта яруга.рф оставлять активную гиперссылку на копируемые материалы этого сайта.

Но о замене существующих паровых машин и двигателей с воспламенением от сжатия на локомотивах можно будет говорить только после того, как будет решена по-новому проблема изоляции котла.

Конечно, проблема облегчения защиты реактора не такая уже неразрешимая проблема и вряд ли можно сомневаться в том, что она будет разрешена в ближайшие же годы, если не месяцы и дни.

Путь к бесконечному совершенствованию тепловоза открыт!

Источник: Лев Гумилевский, "Тепловозы"

__________________________