Что такое дизель в тепловозе
Как устроен и работает тепловоз (часть 1)
Опубликовано 09.05.2020 · Обновлено 06.11.2021
По железным дорогам нашей страны ведут поезда тепловозы и электровозы. Мы в повседневной жизни видим их постоянно, особенно когда путешествуем по железной дороге. Эта статья о тепловозах, для всех кому интересна эта тема. Здесь я не буду углубляться в тонкости определенных узлов, агрегатов и премудростей устройства. Кого интересует конкретное устройство тепловозов, читайте мои статьи на данном сайте.
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9107-300×208.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9107.jpg» width=»1000″ height=»694″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9107.jpg» alt=»Тепловоз 2ТЭ10М | Тепловоз 2ТЭ10М | Движение24″class=»wp-image-9840″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9107-300×208.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9107-768×533.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9107.jpg 1000w» data-sizes=»(max-width: 1000px) 100vw, 1000px» /title=»Тепловоз 2ТЭ10М | Движение24″ /> Тепловоз 2ТЭ10М
Что такое тепловоз?
Тепловоз — это локомотив с установленным на нем двигателем внутреннего сгорания (дизелем), он мобилен и не требует для работы посторонних устройств и сооружений, например контактной сети, как электровоз. Силовой установкой на всех тепловозах являются именно дизели, мощность которых зависит от назначения локомотива.
Машинное отделение тепловоза — дизель
По роду службы их подразделяют на грузовые, пассажирские и маневровые. Но для движения одного дизеля естественно мало, для передачи его мощности к колесным парам используются следующие принципиальные схемы – электрическая и гидравлическая. В электрической передаче используется генератор электрического тока, вращаемый дизелем, а вырабатываемый ток питает тяговые электродвигатели, в гидравлической передаче рабочим телом, которое передает вращение к колесным парам, является жидкость (масло). В гидромуфтах и гидротрансформаторах создаваемый насосным колесом, вращаемым дизелем, напор масла воздействует на турбинное колесо, через которое передается вращающий момент посредством карданных валов на редукторы, в которых установлены колесные пары тепловоза, но все это конечно очень упрощенно, в общих чертах. Мы немного коснемся работы гидропередачи позже, а подробное описание техническим языком можно прочитать в моей статье здесь.
Устройство тепловоза
Все тепловозы имеют раму, на которой установлен дизель, независимо от типа передачи, на раме устанавливается кузов тепловоза и все необходимые агрегаты. Кузов тепловоза опирается через шкворни на рамы тележек, которые могут совершать повороты в любую сторону, согласно профиля пути. Тележки еще имеют скользящие опоры с обоих сторон, которые также опираются на раму тепловоза.
Тележка тепловоза, буксы
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_6759-1-300×217.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_6759-1.jpg» width=»1000″ height=»724″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_6759-1.jpg» alt=»ТЕЛЕЖКА ТЕПЛОВОЗА | ТЕЛЕЖКА ТЕПЛОВОЗА | Движение24″class=»wp-image-9910″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_6759-1-300×217.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_6759-1-768×556.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_6759-1.jpg 1000w» data-sizes=»(max-width: 1000px) 100vw, 1000px» /title=»ТЕЛЕЖКА ТЕПЛОВОЗА | Движение24″ /> Тележка тепловоза, буксы
В рамах тележек установлены или тяговые электродвигатели при электрической передаче или тяговые редукторы при гидравлической передаче, торцы осей колесных пар располагаются в буксовых узлах, корпуса которых в свою очередь располагаются либо в жестких направляющих, так называемых «челюстях» (тележки челюстного типа), либо специальными поводками соединяются с рамой (бесчелюстной тип).
Таким образом через рамы тележек тяговые усилия передаются на раму тепловоза в которой установлены автосцепные устройства, соединенные с автосцепками вагонов и все, поехали. В принципе такое-же устройство имеют и тележки электровозов.
Электрическая передача
Такой тип передачи нашел наиболее широкое распространение. Дизель тепловоза, при такой передаче, с помощью пластинчатой муфты присоединяется к валу электрогенератора — эта система называется дизель-генераторной установкой (ДГУ). Электрические передачи могут работать как на постоянном, так и на переменном токе, и даже на переменно-постоянном токе.
При постоянном токе как тяговый генератор, так и тяговые электродвигатели работают соответственно на постоянном токе. Такая передача наиболее проста, хорошо регулируются параметры тяговых электродвигателей, однако как двигатели, так и генератор постоянного тока в составе имеют щеточно-коллекторный аппарат, содержащий трущиеся друг об друга элементы, что значительно снижает их надежность, увеличивает трудоемкость при изготовлении и обслуживании, у таких электрический машин большие габариты и вес. Но тем не менее большинство тепловозов работают на электрической передаче.
Щёточно-коллекторный аппарат ТЭД
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105-300×204.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105.jpg» width=»1000″ height=»680″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105.jpg» alt=»Щёточно-коллекторный аппарат ТЭД | Щёточно-коллекторный аппарат ТЭД | Движение24″class=»wp-image-9841″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105-300×204.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105-768×522.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9105.jpg 1000w» data-sizes=»(max-width: 1000px) 100vw, 1000px» /title=»Щёточно-коллекторный аппарат ТЭД | Движение24″ /> Щёточно-коллекторный аппарат ТЭД
Передача переменно-постоянного тока
На тепловозах с данным типом передачи тяговый генератор вырабатывает переменный ток, а тяговые электродвигатели работают уже на постоянном токе. Понятное дело, что переменный ток не подойдет для питания ТЭД постоянного тока, и между двигателем и генератором должен быть некоторый преобразователь — в нашем случае это выпрямительная установка (ВУ). Габариты генератора меньше, а вес ниже, а также в нем отсутствуют трущиеся части, такие как щелочно-коллекторный аппарат. Соответственно один узел является более надежным и менее трудоемким в производстве и обслуживании. Однако ввод третьего узла — ВУ немного уменьшает положительные качества такой системы, да и КПД у тепловозов с такой передачей меньше, чем у постоянников.
Тяговый электродвигатель (ТЭД) от тепловоза
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9100-300×208.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9100.jpg» width=»1000″ height=»692″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9100.jpg» alt=»Тяговый электродвигатель ТЭД от тепловоза | Тяговый электродвигатель ТЭД от тепловоза | Движение24″class=»wp-image-9847″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9100-300×208.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9100-768×531.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9100.jpg 1000w» data-sizes=»(max-width: 1000px) 100vw, 1000px» /title=»Тяговый электродвигатель ТЭД от тепловоза | Движение24″ /> Тяговый электродвигатель (ТЭД) от тепловоза
Передача переменного тока
В настоящее время приобретает все большее развитие. В этой передаче как тяговый генератор так и тяговые электродвигатели работают на переменном токе. Соответственно щелочно-коллекторный аппарат отсутствует вообще, такие электроустановки очень надежны. Почему же ранее не использовалась такая выгодная схема? — Все дело в том, что частота вращения и крутящий момент ТЭД переменного тока регулируются изменением частоты тока и напряжения, что является достаточно сложной задачей. Решается эта задача с помощью преобразователя частоты, который включается между двигателями и генератором. На железные дороги нашей страны уже выходят тепловозы именно с такой передачей, она особенно эффективна на локомотивах большой мощности.
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9108-300×200.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9108.jpg» width=»1000″ height=»667″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9108.jpg» alt=»Тепловозный дизель | Тепловозный дизель | Движение24″class=»wp-image-9838″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9108-300×200.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9108-768×512.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9108.jpg 1000w» data-sizes=»(max-width: 1000px) 100vw, 1000px» /title=»Тепловозный дизель | Движение24″ /> Тепловозный дизель
Принцип работы генератора
Идем дальше. Вот наш условный дизель начинает вращать главный генератор (ГГ), пусть он будет постоянного тока, чтобы выработанный им ток пошел на питание тяговых двигателей. Прогуляемся немного в славный мир электротехники, откуда нам уже давно известно, что при перемещении какого-нибудь проводника в магнитном поле в этом проводнике возникает электрический ток. Это и есть генератор. Если по этому проводнику мы возьмем и пропустим ток, то уже получится электродвигатель. Потому-что вокруг любого проводника с током образуется магнитное поле. Здесь мы немного остановимся. Принципы понятны. Магнитное поле в генераторе создает ток протекающий в обмотке возбуждения, которая расположена по кругу корпуса генератора (статор), это понятно, ведь постоянный магнит не установишь на всех двигателях и генераторах, так и ресурсов не напасешься и постоянных магнитов такой мощности просто не существует, поэтому и подают ток на обмотки возбуждения, превращая их в мощные магниты.
Тяговый генератор тепловоза
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9106-300×204.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9106.jpg» width=»1000″ height=»680″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9106.jpg» alt=»Тяговый генератор тепловоза | Тяговый генератор тепловоза | Движение24″class=»wp-image-9842″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9106-300×204.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9106-768×522.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2020/05/dvizhenie24_ru_9106.jpg 1000w» data-sizes=»(max-width: 1000px) 100vw, 1000px» /title=»Тяговый генератор тепловоза | Движение24″ /> Тяговый генератор тепловоза
ЭДС и противоЭДС
Теперь главное – в электродвигателях ток протекает и по обмотке в якоре, поэтому магнитные поля обмоток возбуждения и якоря друг с другом взаимодействуют, что и приводит к вращению якоря. В генераторах по якорю, который вращается от коленчатого вала дизеля, ток не пропускается, но в его обмотках под воздействием магнитных полей возбуждения возникает электрический ток, который и питает тяговые электродвигатели. И чем быстрее вращается якорь, тем большее напряжение мы получаем на выходе. Но есть одна серьезная и очень серьезная сила – электродвижущая сила (ЭДС), которая возникает при подключенной нагрузке (подключение цепей ТЭД) при вращении якоря, и физически направлена она против направления вращения якоря, в электротехнике она называется «противоЭДС». То есть эта сила можно сказать всячески сопротивляется вращению, она увеличивается с увеличением электрической нагрузки. Вот это и есть главное, что преодолевает всей своей мощью дизель, поэтому тепловозные дизели все не слабые, иначе не провернешь вал генератора под нагрузкой. Именно противоЭДС используется в тяговых электродвигателях тепловозов и электровозов, когда они переводятся в генераторный режим (по обмоткам якорей не протекает ток), это называется — реостатное (рекуперативное) торможение, когда скорость поезда снижается благодаря только электродвигателям, без применения автоматических тормозов и надо сказать, здорово тормозит и держит необходимую скорость, особенно на затяжных спусках, я всегда использовал этот вид торможения, когда можно было выбирать.
Управление дизелем
Все управление дизелем, аппаратами, машинами и агрегатами происходит с пульта управления из кабины машинистом. Управление осуществляется электрическим путем, с помощью применения электромагнитных контакторов и электрических реле в цепях управления, а в силовых цепях работают электропневматические контакторы. Контроллер машиниста имеет 15 (на некоторых тепловозах 8) позиций и представляет из себя электрический аппарат с контактами, замыкание и размыкание которых приводит к различным действиям в цепях управления, благодаря чему происходит коммутация (сборка-разборка) различных комбинаций электрических цепей, каждая из которых отвечает за определенный режим работы силовых агрегатов локомотива. Контроллер может поворачиваться рукояткой или штурвалом, в современных тепловозах небольшой рукояткой или джойстиком, все зависит от конструкции, все позиции контроллеры фиксированные. На тепловозах не существует педали газа, как на автомобилях, а обороты дизеля регулируются специальным устройством – регулятором числа оборотов (РЧО), также регулятор частоты вращения (РЧВ), но смысл один и тот же. Это устройство закрепляется на корпусе дизеля и соединяется с коленчатым валом дизеля. Управляется РЧО контроллером машиниста посредством специальных электромагнитов (МР), их всего пять, через металлическую пластину.
Машинное отделение тепловоза — дизель
Регулятор частоты вращения коленчатого вала
В данном регуляторе с помощью специальных гидравлических устройств (золотника, гидравлического сервомотора, специальной буксы) происходит перемещение реек топливных насосов высокого давления (ТНВД ) к плунжерным парам, само перемещение осуществляет сервомотор, в результате чего подача топлива либо увеличивается, либо уменьшается.
Постоянство оборотов поддерживается системой, использующей принцип центробежной силы – парой грузиков и пружиной, перемещающих золотник. Все современные тепловозы оборудованы регуляторами совмещающими несколько устройств, и автоматического регулирования нагрузки дизеля, и автоматической корректировки подачи топлива по давлению наддувочного воздуха и устройств по ограничению мощности дизель-генератора.
А зачем мощность дизель-генератора ограничивать?
Выше я писал про зловредную противоЭДС, возникающую в главном генераторе, которую силовая установка мужественно преодолевает, вот и главное: мощность дизеля всегда должна соответствовать нагрузке, создаваемой потребителем энергии, и в нашем случае нагрузкой для является главный генератор, а для него уже электродвигатели колесных пар (вот собственно и схема электрической передачи). Как раз регулировка мощности осуществляется уменьшением или увеличением подачи топлива в цилиндры в соответствии с изменением нагрузки генератора.
Тепловоз в разрезе
Почему бы не оставить подачу топлива постоянной?
Если это произойдет, то при изменении нагрузки на ТЭД (например поезд едет в гору или с горы) частота вращения вала дизеля тоже изменится, что может привести к неприятным последствиям. Когда в дизель стабильно подается один объем топлива, то и энергия его сгорания остается постоянной, а вместе с ней и производимая мощность, однако если нагрузка на генератор вдруг уменьшится (поезд поехал с горы), то есть уменьшится противоЭДС, но топливо-то все еще поступает в прежнем объеме.. И вот мы получаем «излишнюю» мощность, которая направляется в раскрутку коленчатого вала, который теперь не отягощен противоЭДС, и в конце концов дизель может «пойти вразнос» — крайне неприятная вещь (разбегайся кто куда). При увеличении нагрузки и постоянной подаче топлива мощности дизеля просто станет не достаточно, для продолжения стабильной работы, частота вращения вала будет уменьшаться, в конечном счете дизель будет не в силах преодолевать нагрузку главного генератора и заглохнет, на профессиональном языке – генератор «задавит» дизель. Чтобы не произошло всех этих неприятностей, необходимо изменять подачу топлива и устанавливать ее каждый раз в соответствии с изменившейся нагрузкой, и все это без изменения позиций контроллера.
Машинное отделение тепловоза
Вот эту непростую задачу в пути следования и решают наши автоматические регуляторы частоты вращения вала дизеля, совместно с очень непростой системой автоматического управления электрической передачей тепловоза. Она регулирует посредством многих систем, аппаратов, агрегатов нагрузку главного генератора и в конце концов подачу топлива. Эту систему я описал отдельно, но в нее входят: магнитный усилитель с самовозбуждением – амплистат, имеющий кучу обмоток, синхронный подвозбудитель, трансформаторы постоянного тока (ТПТ) и постоянного напряжения (ТПН), тахогенератор, регулятор напряжения, селективный узел и т.д. В общем всего навалом, но не так страшно, если разобраться, вся работа системы основана на принципах электромагнитной индукции. В итоге на регуляторе размещен эектромагнитный датчик – индуктивный датчик (ИД), шток которого также соединен с рейками топливного насоса и он также изменяет подачу топлива в зависимости от сложившихся условий.
Дизели тепловозов и ГТУ газотурбовозов
Опубликовано 10.07.2020 · Обновлено 03.11.2021
Что такое двигатели внутреннего сгорания и теплосиловые установки? Это устройства (машины), которые превращают внутреннюю химическую энергию топлива в механическую работу. Мы рассмотрим двигатели тепловозов – дизели, а также двигатели с вращающимся ротором (газоурбинные), применяемые в качестве силовой установки на газотурбовозах. Существуют и комбинации этих типов двигателей – они носят название турбопоршневые двигатели.
Как работают поршневые двигатели внутреннего сгорания
Итак, поршневые двигатели внутреннего сгорания – это двигатели главным рабочим элементом которых являются поршни. В дизельных двигателях воспламенение топлива происходит от сжатия топливовоздушной смеси в цилиндре. Перед подачей в камеру сгорания дизельное топливо (солярка) поступает на плунжерную пару, в этом устройстве небольшой металлический стержень перемещается в маленьком цилиндре, причем эти детали максимально притираются друг к другу. Из плунжера топливо под очень большим давлением поступает в форсунку, в ней, проходя через микроскопические отверстия попадает уже в виде тумана в камеру сгорания, где от давления, создаваемого поршнем дизеля воспламеняется.
Вся эта система называется топливным насосом высокого давления, работает она совместно с механизмом газораспределения и регулятором числа оборотов дизеля (РЧО), но в данной статье мы ее касаться пока не будем.
Конструкция дизеля
Все дизели устроены практически одинаково: их остов состоит из рамы и цилиндров, соединенных между собой картером. Цилиндры сверху закрываются крышками, в которых установлены топливные форсунки, выпускные и впускные клапаны (на некоторых конструкциях двухтактных дизелей впускные и выпускные клапаны не устанавливаются на них применяется щелевая продувка – 10Д100, например). Отвлекся немного, поршень соединяется с коленчатым валом посредством шатуна и кривошипа. Дизели бывают двухтактными и четырехтактными.
Рассмотрим работу двухтактного дизеля
При вращении коленчатого вала поршень (через шатун) совершает возвратно-поступательные движения между, так называемыми, нижней мертвой точкой (н.м.т.) и верхней мертвой точкой (в.м.т.). Воздух поступает в цилиндр через продувочные (впускные) окна, расположенные в средней части цилиндра, а отработанные газы удаляются через выпускные клапаны.
Такая система называется клапанно-щелевой продувкой. На дизелях типа 10Д100, как я уже писал выше, клапанов нет, выпуск газов и поступление воздуха в цилиндр осуществляется через продувочные окна, это обусловлено особой конструкцией дизеля с расходящимися поршнями. При перемещении от н.м.т. вверх поршень перекрывает впускные окна, выпускные клапаны при этом закрываются, в итоге происходит процесс сжатия воздуха с повышением его давления. В момент подхода к в.м.т. (камере сгорания), в цилиндр через форсунку впрыскивается топливо, которое от давления воспламеняется. В результате этого давление газов в цилиндре увеличивается и под действием давления поршень перемещается вниз, совершая полезную работу. Давление газов в этот момент падает. При подходе к нижней мертвой точке открываются выпускные клапаны и отработанные газы выходят из цилиндра. В данный момент времени поршень верхней кромкой открывает продувочные окна и через них в цилиндр поступает свежий воздух. Все процессы непрерывно повторяются.
Эти процессы, происходящие в цилиндре дизеля при каждом обороте коленчатого вала называются циклами. Каждый такой цикл состоит из двух тактов:
Поэтому в двухтактных дизелях цикл протекает за два хода поршня, что соответствует одному обороту коленчатого вала.
Рассмотрим работу четырехтактного дизеля
Конструкция данного дизеля отличается от конструкции двухтактного отсутствием продувочных окон, и тем, что один из клапанов – впускной, а другой (как и в предыдущей схеме) – выпускной.
Работа четырехтактного дизеля происходит так: при перемещении поршня от н.м.т. вверх сжатие воздуха происходит при закрытых клапанах (1 такт). Подача топлива и его сгорание происходят в момент нахождения поршня вблизи в.м.т.. Далее следует рабочий ход – расширение газов (2 такт). При следующем ходе поршня вверх открывается выпускной клапан и происходит выпуск отработанных газов (3 такт). Далее выпускной клапан закрывается, одновременно с этим открывается клапан впускной, и при ходе поршня вниз в цилиндр всасывается свежий воздух (4 такт).
Циклы в данной конструкции повторяются через каждые два оборота коленчатого вала и состоят из четырех тактов. Исходя из этого в четырехтактных дизелях циклы протекает за четыре хода поршня – два оборота коленчатого вала. Главной особенностью поршневых двигателей внутреннего сгорания можно назвать циклический рабочий процесс, позволяющий при достаточно высоких температурах сгорания топлива (1800 – 2000 градусов Цельсия) получать высокий КПД (30 – 40%) и сравнительно умеренные средние температуры рабочих деталей.
Газотурбинные установки
Но существуют, правда в небольших экземплярах, такие очень мощные локомотивы, как газотурбовозы (читайте в моих статьях на нашем сайте). В них силовая установка представлена газовой турбиной – газотурбинная установка (ГТУ).
Газотурбинные установки состоят из компрессора для сжатия воздуха, камеры сгорания и непосредственно газовой турбины. Так же как и поршневые двигатели внутреннего сгорания, ГТУ преобразовывают энергию топлива в механическую работу. Надо сказать, что ГТУ работают на всю свою мощь в авиации, для данной отрасли, это самый лучший двигатель.
Принцип работы ГТУ
Рассмотрим вкратце работу ГТУ: в компрессором засасывается воздух из атмосферы и сжимается в нем до рабочего давления. Далее сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где происходит сгорание топлива (керосина). Нагреваясь до температуры 600 – 900 градусов Цельсия смесь сжатого воздуха с продуктами горения топлива поступает в газовую турбину. В турбине, расширяясь, горячий газ вращает рабочее колесо. Отработанный в турбине газ выбрасывается в атмосферу.
Часть мощности турбины (65 – 70%) расходуется на приведение в действие лопаточного компрессора, оставшаяся часть через муфты передается на потребителя или (как в турбореактивных ГТУ ) через сопло Лавваля горячий газ выбрасывается в атмосферу под большим давлением. Для нагревания воздуха в ГТУ, после сжатия его в компрессоре, установлены камеры сгорания. Разогрев производится путем сжигания топлива при постоянном давлении. В камере сгорания температура должна быть очень высокой, это необходимо для того, чтобы реакции окисления топлива происходили достаточно быстро и максимально полно. Для этого в камеру сгорания поступает только часть воздуха, нагнетаемого компрессором (назовем его – первичным). Температура газов в камере сгорания достигает 1800˚ – 2000˚ градусов Цельсия. Остальной воздух (вторичный), который не принимает участия в процессе горения топлива, поступает в смеситель. В нём температуры воздуха и продуктов сгорания доводятся до температуры газов перед турбиной (около 600˚ – 900˚ градусов Цельсия).
Процессы сжатия воздуха, сгорания топлива в ГТУ происходят непрерывно, поэтому средние температуры рабочих органов приближаются к максимальным. Так как эти температуры существенно ограничены жаропрочностью самих материалов, то их приходится снижать. В связи с этим КПД газотурбинных установок значительно ниже КПД дизельных двигателей и составляет 20 – 25 %.
Газотурбинные установки со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ)
Существуют и комбинированные силовые установки – это газотурбинные установки со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ). Такая силовая установка состоит из генератора газа, ресивера и турбины.
Принцип ее работы прост – отработанные в генераторе газы поступают через ресивер в газовую турбину. В турбине газы расширяются и вращают ротор турбины. СПГГ вырабатывают газ для газовой турбины и являются камерой сгорания и компрессором. В средней части СПГГ расположены цилиндры двигателя внутреннего сгорания с выпускными и продувочными окнами, форсунками и коллектором продувочного воздуха. Цилиндры поршневого компрессора имеют больший диаметр, чем цилиндры двигателя внутреннего сгорания, в них установлены всасывающие и нагнетательные клапаны. С обоих концов корпуса СПГГ располагаются буферные полости. Поршни СПГГ одновременно являются как поршнями двигателя (малого диаметра), так и поршнями компрессора (большого диаметра).
СПГГ запускается сжатым воздухом, подаваемым в буферные полости. В этот момент оба поршня перемещаются к центру цилиндра и воздух, находящийся между ними, сжимается. В момент сближения поршней в камеру сгорания подается топливо, которое воспламеняется и поршни расходятся. В данный момент в цилиндре дизеля происходит расширение газов. Одновременно, когда поршни открывают выпускные и продувочные окна, происходит выпуск продуктов сгорания и продувка цилиндров воздухом из коллектора. Далее смесь отработанных газов с воздухом через ресивер поступает в газовую турбину.
Заполнение коллектора воздухом осуществляется через клапаны в момент сближения поршней. Когда поршни расходятся в цилиндре компрессора создается разрежение, в результате чего, цилиндр вновь наполняется свежим воздухом через всасывающий клапан, одновременно в буферных полостях происходит сжатие воздуха. В тот момент, когда давление на поршни со стороны буферных полостей станет больше, чем давление, действующее на поршни меньшего диаметра, они начнут снова сходиться. При этом в цилиндре дизеля снова будет происходить сжатие воздуха и цикл повторится.
Такой силовой установкой был оснащен единственный экземпляр газотурбовоза с электрической передачей ГТ101-001, который был построен в 1960 году на Луганском (Ворошиловградском) тепловозостроительном заводе, мощность его составляла 3000 л.с.
Историческая перспектива
В дальнейшем локомотивы с СПГГ не строились. Дизельные силовые установки нашли самое широкое применения на тепловозах. Газотурбинные силовые установки не нашли широкого применения на локомотивах. В настоящее время на наших стальных магистралях трудятся два газотурбовоза, работающих на сжиженном природном газе – ГТh1-001 и ГТh1-002, мощность каждого составляет 11284 л.с. в секции, за что ОАО РЖД получило диплом Книги рекордов Гиннесса. А ГТh1-001 попал еще раз в Книгу рекордов, проведя на испытательном кольце ВНИИЖТ (ст. Щербинка) грузовой состав весом 16000 тонн, длинной 170 вагонов. ОАО РЖД планирует заказ этих мощных машин, для работы в регионах с интенсивной добычей природного газа. Но пока пальма первенства конечно принадлежит тепловозам.