Паротурбовоз

Паротурбовоз — локомотив, в качестве двигателя на котором установлена паровая турбина. Несмотря на очевидные преимущества в виде высокого КПД, экономичности и возможности использования дешевого низкосортного топлива, этот тип локомотива, вопреки нескольким относительно успешным попыткам постройки, не получил сколько-нибудь заметного распространения на сети железных дорог мира.

Преимущества

Использование паровой турбины для привода паровоза обещало большую экономическую эффективность при сохранении верхних пределов давления и температуры обычного парового котла. Используя конденсатор, градиент давления в паровой системе можно было довести до уровня вакуума . КПД системы учитывая экономию пара или топлива доходил до 30 %. К тому же небольшую турбину можно было недорого разместить на локомотиве. Благодаря конструкции все части турбины, контактирующие с паром, можно было проектировать для работы без смазки и необходимости регулярной очистки. Замкнутый круговорот воды позволял использовать дистиллят без оставляющих накипь примесей, и потери воды в системе были чрезвычайно низкими.

• Высокий КПД на высокой скорости
• Повышенная надежность и безопасность ввиду значительного расстояния между подвижными частями механизмов (по сравнению с паровозом).
• У обычного паровоза момент, создаваемый паровой машиной, изменяется по синусоидальному закону, имеет место боксование колес, особенно в момент трогания, чего у паротурбовоза не наблюдается.
• Горизонтальную составляющую сил, создаваемых цилиндрами и передаточными механизмами паровой машины паровоза, невозможно скомпенсировать без существенного роста вертикальной составляющей, что приведет к значительному росту ударных воздействий на конструкцию локомотива и, самое главное, на путь.

Недостатки

Попытки делать стандартные малые паросиловые установки с турбинами на водяном паре всегда упирались в небольшой КПД таких установок. Например, в книге Ф.Бойко «Паровозы промышленного транспорта» указано- что в середине 50-х годов турбогенаратор паровоза мощностью 1 квт расходовал на 1 квт-час мощности 100 кг пара (КПД- 1 %%), а в книге П.Черняев «Судовые силовые установки и их эксплуатация» (учебник для вузов) — указано, что в середине 70-х годов главные паросиловые установки с турбинами достигли КПД в 35 %, а вот малые судовые паросиловые агрегаты мощностью 15 — 50 квт (для привода вспомогательных судовых механизмов) расходовали до 30 кг пара в час на 1 квт мощности, что в 5 раз хуже, чем главная машина. Трудность достижения малыми турбинами высоких значений КПД, которые характерны для больших турбин, заключается в изменении соотношения скоростей истекающего из сопел пара и окружных скорости движения лопаток турбин, по мере уменьшения диаметров роторов малых турбин. При уменьшении габаритных размеров паро-силовой установки с турбиной её термодинамический КПД падает, а цена на 1 квт агрегатной мощности — растет. Так на паросиловыx установкax с паровыми турбинами на ORC цикле итальянского производителя « TURBODEN» КПД по электричеству весьма невелик- всего 18 %. На практике подобные проблемы были характерны и для паротурбовоза ( и газотурбовоза), вкупе с рядом других сложностей.

• Высокий КПД достигается только на высокой скорости (аналогичное явление характерно и для турбохода), хотя некоторые локомотивы, разработанные и построенные в США и Швеции, при определенных условиях эксплуатации показывали КПД не только равный, а лучший, чем у паровых машин.

• Наибольший (пиковый) КПД достигается лишь тогда, когда отработанный пар из турбины подается в конденсатор, где создается вакуум. Однако подобное устройство очень тяжелое и громоздкое.
• Турбина может вращаться лишь в одну сторону. Это означает, что на турболокомотиве с механической передачей для возможности движения задним ходом должна быть предусмотрена возможность реверсирования передачи одним из следующих способов:

- с помощью включения заднего хода коробки переключения передач;

- реверсивной передачей на гидромуфте при использовании ГМП (нигде на практике не реализована);

- устанавливается дополнительная реверс-турбина.

Турболокомотивы с электрической передачей свободны от этого недостатка.

Классификация

Все паротурбовозы по способу передачи вращающего момента на ведущие колеса разделяются на два основных типа:

• с механической передачей
• с электрической передачей

История постройки паротурбовоза в различных странах

С механической передачей

США

Единственный построенный S2.

Pennsylvania Railroad эксплуатировала самый большой в мире паротурбовоз. На этом локомотиве (тип S2, № 70900) была установлена турбина производства Baldwin Locomotive Works. Локомотив поступил на дорогу в сентябре 1944 г. Первоначальным проектом предполагалась формула 4-8-4, однако ввиду дефицита лёгких конструкционных материалов в условиях войны S2 стал единственным в мире локомотивом, построенным по формуле 6-8-6.

Турбина S2 типа PRR № 6200 имела мощность 6900 л.с. (5100 кВт) и позволяла достигать скорости до 160 км/ч (100 миль/ч). Вместе с тендером локомотив имел длину 123 фута (37,5 м). Паровая турбина представляла собой доработанную корабельную турбину. Несмотря на то, что механическая передача проще электрической, именно она и оказалась фатальным изъяном: турбины неэффективны при малых скоростях. На скорости ниже 64 км/ч она потребляла чрезмерно много пара и топлива. Однако на высоких скоростях S2 тянул тяжёлые составы практически без проблем и с высоким КПД. Плавность хода турбины обеспечивала намного меньшее ударное воздействие на путь в сравнении с обычным паровозом.

Однако турбину сгубил низкий КПД на низких скоростях, и, как только на дорогу стали приходить тепловозы, других S2 больше не было построено. Локомотив был снят с эксплуатации в 1949 г., а в мае 1952 г. сдан в металлолом.

Великобритания

Один из наиболее успешных паротурбинных локомотивов был создан в Великобритании. LMS Turbomotive был локомотивом с осевой формулой 4-6-2, без конденсатора пара. Несмотря на это, он имел тепловой КПД выше обычных локомотивов. Это было результатом того, что шесть сопел, по которым пар направлялся на турбину, могли управляться (открываться и закрываться) независимо друг от друга. Определенное вдохновение создатели почерпнули из конструкций турбин шведского конструктора Фридрика Люнгстрема (Fredrik Ljungström).

Локомотив Beyer-Peacock с турбиной Люнгстрёма

После одиннадцати лет эксплуатации в тяжелых условиях главная турбина была сломана, и в 1949 г. Turbomotive был переделан в обычный паровоз, а после железнодорожной катастрофы 1952 г., известной как крушение поездов у станции Харроу-энд-Уилдстон, был снят с эксплуатации.

Германия

Henschel T38-2555 с паротурбинным тендером

Несколько попыток создания локомотивов подобного типа предприняли и локомотивостроители Германии. В 1928 г. паротурбовоз с механической передачей был построен фирмой Крупп-Целли (Krupp-Zoelly). Отработанный пар из турбины подавался в конденсатор, что одновременно экономило воду и увеличивало тепловой КПД турбины. Для выхода отработанных продуктов сгорания использовалась труба с дымовой коробкой. В 1940 г. в этот локомотив попала бомба. Он был выведен из эксплуатации и не восстанавливался.

Подобную машину в 1929 г. построила также компания Маффай (Maffei). Несмотря на высокое давление пара в котле, он имел меньший КПД, чем локомотив Крупп-Целли. В 1943 г. он также был поврежден бомбой и снят с эксплуатации.

Хеншель (Henschel-Werke) в 1927 г. переделал в паротурбовоз обычный паровоз. Дополнительные ведущие колеса под тендером приводились в движение турбиной. Отработанный в цилиндрах пар подавался на турбину, а пар, отработанный в турбине, поступал в конденсатор. Продукты сгорания также отводились через трубу с дымовой коробкой. Однако КПД разочаровал создателей, и турбина с тендера была снята.

Франция

Две попытки были сделаны и во Франции. Первая — Nord Turbine как по внешнему виду, так и по конструкции напоминала британский LMS Turbomotive. Однако реализация проекта была прекращена и локомотив был построен с обычной компаундной паровой машиной. Другая попытка, постройка SNCF 232Q1, была предпринята в 1939 г. Она была необычной, поскольку ведущие колеса не были связаны с механизмом парораспределения. Каждая из трех ведущих осей имела свою собственную турбину. Локомотив был сильно поврежден немецкими войсками в годы Второй мировой войны и сдан в металлолом в 1946 г.

Швейцария

Швейцарская фирма Целли (Zoelly) построила паротурбовоз в 1919 г. Он имел осевую формулу 4-6-0 и был снабжен конденсатором пара. Он был снабжен также вентилятором в колосниковой решетке котла, слегка охлаждавшим воздух, идущий в трубу вместо применения дымовой коробки. Такое решение, хотя и позволило избежать трудностей, связанных с сооружением трубы, которая должна противостоять горячим, вызывающим коррозию газам, но породило новые проблемы. Огневая камера котла работала при положительном давлении, и горячие газы вместе с золой могли быть сдуты за дверцы топки в случае, если их открыть во время работы. Это потенциально опасная конструкция была в итоге заменена трубой с дымовой коробкой.

Италия

В Италии несколько экспериментальных паротурбовозов построил Джузеппе Беллуццо (Giuseppe Belluzzo). Но ни один из них даже не был испытан на главных магистралях. Первым был небольшой локомотив с четырьмя колесами, каждое из которых приводилось в движение своей собственной турбиной. Задний ход обеспечивался за счет подачи пара на турбины через сопло обратного хода. Паровые турбины разработаны для вращения только в одну сторону, что делает данный метод крайне неэффективным. Больше никто не предпринимал подобные попытки.

Беллуццо внес также вклад в разработку в 1931 г. локомотива формулы 2-8-2, построенного компанией Эрнесто Бреда (Ernesto Breda). На нем использовалось четыре турбины в составе машины множественного расширения.

В 1933 г. один из локомотивов формулы 2-6-2 итальянских Государственных железных дорог (FS) был переоборудован в паротурбинный. Он совершил пробную поездку из Флоренции в Писто́йю, какие-либо дальнейшие сведения отсутствуют.

Швеция

Локомотив Ф.Люнгстрёма, 1921

Шведский инженер Фридрик Люнгстрём (Fredrik Ljungström) разработал множество различных экспериментальных паротурбовозов, некоторые из них были очень удачными.

Первая попытка была предпринята в 1921 г. и была скорее техническим курьезом. Три ведущие оси размещались под тендером, а будка машиниста и котел располагались над направляющими осями. В результате в создании тяги принимала участие лишь небольшая часть веса локомотива.

Второй разработкой были вроде бы удачные грузовые локомотивы формулы 2-8-0. Построенные в 1930 и 1936 гг. фирмой Нюдквист и Хольм (Nydqvist & Holm), эти локомотивы заменили собою обычные паровозы на линии Гренгесберг-Окселесунд (Grängesberg-Oxelösund). Конденсатор пара отсутствовал, ибо его сложность перевешивала преимущества в части термодинамики. Колеса приводились в движение посредством карданной передачи. Эти локомотивы не ушли в отставку до 50-х годов 20-го столетия, когда линия была электрифицирована. Два экземпляра этой серии были сохранены и их можно увидеть в Гренгесберге, Швеция.

M3 T №72 в музее локомотивов в Гренгесберге

Аргентина

На трассе дороги Тукуман — Санта Фе, проходящей по гористой местности, немного удобных мест для пополнения запасов воды. В 1925 г. шведская фирма Нюдквист и Хольм (Нюдквист и Хольм, Nydqvist & Holm AB) построила паротурбовоз, наподобие первого проекта Люнгстрема. Конденсатор работал вполне хорошо — лишь 3 или 4 процента воды терялось по дороге, да и то только по причине утечки из бака. Локомотив, однако, не был надежным и был впоследствии заменен конденсационным паровозом.

С электрической передачей

США

Паротурбовоз Union Pacific GE, апрель 1939.

В 1938 г. корпорация General Electric построила два паротурбинных локомотива с электрической передачей формулы 2-C+C-2 (4-6-6-4) для железной дороги Юнио́н Паси́фик. Эти локомотивы по сути были чрезвычайно мобильными электростанциями и соответственно сложными. Это были единственные локомотивы с использованием конденсаторов пара, какие когда-либо эксплуатировались в Соединенных Штатах. Котел компании Babcock & Wilcox давал пар, а электрогенератор, размещенный впереди локомотива, вырабатывал электричество для питания тяговых двигателей.

Управление котлом было в основном автоматизированным; два локомотива могли работать вместе по системе многих единиц под управлением одного машиниста. В качестве топлива использовался топочный мазут, такой же, что был применен позже на газотурбовозах Юнио́н Паси́фик.

В 1939 г. Юнио́н Паси́фик приняла локомотивы в эксплуатацию, но спустя год вернула их, сославшись на неудовлетворительные результаты. Турболокомотивы производства General Electric использовались в 1943 г., в период недостатка тяговых мощностей, на GN (Great Northern Railway), и зарекомендовали себя достаточно хорошо.

На закате эпохи пара Baldwin Locomotive Works было предпринято несколько попыток разработки технологии, альтернативной дизельной тяге. В 1944 г. был выпущен локомотив S2 для Pennsylvania Railroad, построенный по формуле 6-8-6 (см. выше).

первый из 3-х локомотивов для C&O (№500).

Между 1947 и 1948 гг. на Baldwin Locomotive Works было построено три уникальных паротурбоэлектровоза, работавших на угле и предназначенных для обслуживания пассажирских поездов на Chesapeake & Ohio Railway Chesapeake & Ohio Railway (C&O). Он имел официальное обозначение M1, но из-за чрезвычайно высоких эксплуатационных расходов и низкой производительности получил прозвище «Sacred Cow» («Священная корова»). Имевшие мощность 6000 л.с., они были оснащены электрооборудованием производства «Вестингауз Электрик» (Westinghouse Electric) и компоновку по формуле 2-C1+2-C1-2. Они имели длину 106 футов (32 м), делавшую их самыми длинными в мире локомотивами, когда-либо построенными для обслуживания пассажирских поездов. Будка машиниста была смонтирована посередине кузова, бункеры для угля — в голове, а котел обычного паровозного типа — позади неё (в тендере хранился только запас воды). Эти локомотивы предполагалось выпустить на линию между Вашингтоном и Цинциннати (штат Огайо), но ни одна поездка не обходилась без серьёзных поломок. Угольная пыль и вода часто попадали в тяговые двигатели. Так как устранение проблем заняло довольно много времени, то посчитали, что в эксплуатации эти локомотивы всегда будут обходиться слишком дорого, и все три были в 1950 г. отправлены в металлолом.

Norfolk & Western locomotive 2300-"Jawn Henry"

В мае 1954 г. Baldwin был построен паротурбоэлектровоз мощностью 4500 л.с. для обслуживания грузовых поездов на Norfolk and Western Railway (N&W), получивший прозвище «Jawn Henry» в честь героя американского фольклора Джона Генри (John Henry), путейца, выигравшего соревнование против парового молота, правда, сразу же после победы скончавшегося. Агрегат напоминал по виду турболокомотив для Chesapeake & Ohio Railway, однако сильно отличался механически; его осевая формула была C+C-C+C, на нем был установлен водотрубный котел компании Babcock & Wilcox, приспособленный для автоматизированного управления. Управление котлом вызывало проблемы, и, аналогично локомотиву C&O, угольная пыль и вода попадали в двигатели. 4 января 1958 г. «Jawn Henry» покинул свою вахту на Norfolk and Western Railway.

Великобритания

Турболокомотив Рейд-Рэмси (Reid-Ramsey), построенный в 1910 г. NBL (North British Locomotive Company), имел осевую формулу 2-B+B-2 (4-4-0+0-4-4). О нем известно мало; предполагают, что его конструкция была неудачной. Позднее он был переделан в паротурбовоз с механической передачей, о которых шла речь выше.

Локомотив фирмы Армстронг, Витворт и Ко

Локомотив фирмы Sir W G Armstrong Whitworth & Co Ltd (Армстронг, Витворт и Ко) имел осевую формулу 1-C+C-1 (2-6-6-2). В нем имелся роторный конденсатор пара, в котором пар конденсировался, проходя через ряд вращающихся труб. Трубы смачивались и охлаждались испаряющейся водой. Потеря воды на испарение была гораздо меньше, чем при отсутствии конденсатора. Воздушный поток в конденсаторе проходил по извилистому пути, снижая эффективность конденсатора. Локомотив был непомерно тяжелый и имел низкий КПД. В 1923 г. он был возвращен на завод и разрезан на металлолом.

CССР и Россия

Хотя пока не удалось найти убедительных доказательств того, что в 30-х годах XX века подобные разработки проводились и в СССР (архивы Луганского паровозостроительного завода были частично или почти полностью уничтожены при его эвакуации в 1941 г.), однако спустя несколько десятилетий, спроектированный в начале 1980-х, хотя по понятным причинам не пошедший в серийную постройку атомовоз представлял собою по сути также паротурбовоз с электропередачей, для генерации пара, в котором вместо парового котла должен был применяться реактор на быстрых нейтронах БОР-60.

См. также

• COGAS

Ссылки

Extreme Steam- Unusual Variations on The Steam Locomotive (англ.) (недоступная ссылка). The Museum of Retro Technology. Douglas Self (26 июля 2010). — Экстремальные и необычные паровозы. Дата обращения: 16 мая 2012. Архивировано 27 июня 2012 года.

Steam Turbine Locomotives (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 14 июня 2015. Архивировано 7 июня 2015 года.