Турбовозы. История, теория, конструкция

Евгений Лосев

Приведены краткие исторические сведения о турбинах, их конструкция и применение на локомотивах. Рассмотрены перспективы турбинной тяги на железных дорогах. Книга хорошо иллюстрирована. Предназначена для историков и специалистов в области локомотивостроения и тяги поездов.

ВВЕДЕНИЕ

Попытки создать механизмы, похожие на турбины, делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (I в. н. э.). По словам И. В. Линде, XIX век породил «массу проектов», которые остановились перед «материальными трудностями» их выполнения. Лишь в конце XIX века, когда развитие термодинамики (повышение коэффициента полезного действия (к.п.д.) турбин до сравнимого с поршневой машиной), машиностроения и металлургии (увеличение прочности материалов и точности изготовления, необходимых для создания высокооборотных колёс), Густав Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленности паровые турбины.

В процессе развития совершенствовался рабочий процесс паровых турбин: повышались температура и давление пара перед турбиной до сверхкритических значений, более глубоким становился вакуум при выхлопе.

Газотурбинные установки (ГТУ) и двигатели (ГТД) являются наиболее древним по своей идее (примерно XV век) и вместе с тем наиболее молодым в отношении практической реализации (рубеж XІХ — ХХ столетий) тепловым двигателем. Газовые турбины вошли в большую энергетику, достигнув совершенства в авиации и кораблестроении. Применение газотурбинных установок оказывает существенное влияние на решение кардинальных задач, стоящих перед энергетикой: увеличение высокоманёвренных мощностей для покрытия пиковых нагрузок в крупных энергосистемах; повышение экономичности электростанций путём использования газотурбинных установок в комбинированных парогазовых и газопаровых установках при модернизации существующих и строительстве новых электростанций; использование газотурбинных, парогазовых и газопаровых установок в системах автономного снабжения электроэнергией и теплотой (теплофикации) индивидуальных потребителей; использование газотурбинных установок в качестве базовых агрегатов в автономных условиях в отдалённых районах.

Последующее изобретение и бурное развитие паровых турбин несколько затормозило развитие газовых турбин, однако не остановило его, причиной чего явился вполне очевидный ряд преимуществ газотурбинных установок перед паротурбинными. Паротурбинная установка — сложный агрегат, состоящий из котельной установки, паровой турбины, конденсатора, большого количества вспомогательного оборудования, требующий большого количества охлаждающей воды. Газотурбинная установка не нуждается в воде, она отличается меньшим количеством механизмов, большей простотой, заметно меньшими габаритами и массой.

Прототипы газовых турбин, к которым относят так называемые дымовые машины, были известны еще в XVII столетии, но отправным пунктом в развитии газовых турбин можно считать изобретение английского инженера Джона Барбера, который в восемнадцатом веке получил патент на устройство, которое имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах.

Первую в мире газовую реверсивную турбину радиального типа с десятью ступенями давления и горением при постоянном давлении сконструировал и построил русский инженер П. Д. Кузьминский. Испытания газотурбинной установки не были закончены из-за смерти П. Д. Кузьминского, но работа оказала заметное влияние на развитие водного транспорта.

Над созданием газотурбинных установок постоянного объёма работал немецкий учёный доктор Гольцварт, который провёл обширные экспериментальные работы, основанные на глубоких теоретических исследованиях.

Увлечение в 1920-х годах строительством ГТД с горением при постоянном объёме во многом может быть объяснено отсутствием возможности создания осевого или центробежного компрессора с достаточно высоким к.п.д. при принятой степени повышения давления, в то время как использование цикла с горением при постоянном объёме позволяло добиться повышения давления за счёт сгорания топлива в закрытом объёме. Уровень науки в области теории создания турбомашин, особенно компрессоров, был столь низким, что на каком-то этапе утвердилось мнение о невозможности достижения необходимого к.п.д. турбомашин, когда двигатель с горением при постоянном давлении мог быть работоспособным.

В то время как в Европе 20—30-е годы прошлого века прошли под знаком развития ГТУ прерывистого горения, в Харьковском политехническом институте в газотурбинной лаборатории, организованной еще в начале 20-х годов профессором В. М. Маковским, создавались научные основы газовых турбин постоянного действия. Маковский был убежденным сторонником развития газотурбостроения по пути использования ГТУ непрерывного горения. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные В. М. Маковским и его учениками в газотурбинной лаборатории, позволили создать проект ГТУ непрерывного горения с использованием газообразного топлива.

Одним из первых газовыми турбинами постоянного давления применительно к локомотивам стал заниматься русский учёный А. Н. Шелест.

Дальнейшее развитие ГТД шло по пути совершенствования его элементов (компрессора, турбины, камеры сгорания, теплообменников и др.), повышения температуры и давления газа перед турбиной, а также применения комбинированных силовых установок с паровыми турбинами и свободнопоршневыми генераторами газа.

В наше время турбины нашли широкое применение в стационарной теплоэнергетике, в военных транспортных средствах (танк Т-80) и на флоте, занимают господствующее положение в авиации и ракетостроении.

Также имеется определённый опыт использования турбин в качестве двигателей для автомобилей и на поездах.

Благоприятные динамические качества турбин способствуют их использованию на локомотивах, т. к. турбины имеют меньшее воздействие на путь, чем поршневые машины. На поршневых паровозах, как известно, добиться полного уравновешивания возвратно-поступательного механизма не удаётся, тогда как в случае применения турбин уравновешивание можно произвести балансировкой ротора.

Газовые турбины также широко используются в качестве средства наддува двигателей внутреннего сгорания с целью повышения мощности последних.