Газотурбовоз локомотив с газотурбинным двигателем или комбинированным двигателем, свободнопоршневым генератором газа, соединённым с газовой турбиной. Почти все существующие Г. имеют одновальную газотурбинную установку открытого цикла с электрической передачей
История создания локомотивов на газе (с газотурбинным или газопоршневым двигателем) началась в конце 1930 -х. В 1937 г. американская компания Plymouth Locomotive Works представила опытный образец газопоршневого локомотива, а в 1938 г. в Швейцарии компанией Brown, Boveri & Cie был построен первый газотурбовоз—Am 4/61101. В течение 1940 -60 -х гг. свои модели газотурбовозов разрабатывали многие мировые производители железнодрожной техники: американская компания General Electric, французская ANF (сейчас подразделение Bombardier), британская English Electric, немецкая Klöckner-Humboldt-Deutz (ныне часть Rolls. Royce).
• Широкому распространению газотурбовозов препятствовали следующие факторы. • 1. В образцах, где в качестве топлива использовался относительно дешёвый судовой мазут, турбины быстро загрязнялись и требовали ремонта. В связи с этим значительно возрастала стоимость эксплуатации локомотивов. • Такие проблемы возникли у локомотивов General Electric (UP 50 -UP 60, 1948 -1953 гг. ), произведенных для оператора Union Pacific, и локомотива British Rail 18000 (1949 г. , производство Brown, Boveri & Cie). • 2. Низкий КПД, особенно при малой нагрузке, привел к постепенному вытеснению газотурбовозов более эффективными дизельными тепловозами. • Максимальный КПД газотурбовоза Am 4/6 1101 (1938 г. , производство Brown, Boveri & Cie для швейцарского оператора SBB-CFF-FFS) составлял всего 18% при выходной мощности 1700 л. с. • Газотурбовоз British Rail 18100 (1951 г. , производство Metropolitan-Vickers) был спроектирован для работы на авиационном керосине, что заметно увеличивало затраты на топливо. Локомотив эксплуатировался до 1958 г. и позже был переделан в электровоз. • Довольно быстро, к 1970 г. , были списаны все локомотивы UP 61 -UP 75 (1954 -1958 гг. ) и газотурбовозы третьего поколения № 1— № 30 (1958 -1961 гг. ) производства General Electric (рис. 3). Кроме низкой эффективности газотурбинные двигатели также отличались высоким уровнем шума.
Схема одновальной газотурбинной установки открытого цикла: 1 — воздушный компрессор; 2 — газовая турбина; 3 — камера сгорания; 4 — атмосферный воздух; 5 — отработавшие газы; 6 — топливо
Расположение силового оборудования газотурбовоза Г 1 -01: 1 — компрессор; 2 — турбина; 3 — камеры сгорания; 4 — редуктор; 5 — главные генераторы; 6 — вспомогательный дизель; 7 — высоковольтные камеры; 8 — холодильник газотурбинного двигателя; 9 — топливный бак; 10 — тормозной компрессор.
Газотурбинный двигатель: 1 — центробежный компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — топливная форсунка; 4 — сопловой аппарат; 5 — рабочее колесо турбины; 6 — выхлопной патрубок
Схема газотурбинного двигателя с регенерацией тепла, охлаждением воздуха в процессе сжатия и подогревом газа в процессе расширения: 1 — пусковой двигатель; 2, 3, 4 — компрессоры низкого, среднего и высокого давления; 5 — камера сгорания; 6, 7 турбины высокого и низкого давления; 8 — регенератор; 9 — охладитель воздуха.
Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 — поверхностный нагреватель; 2 — турбина; 3 — компрессор; 4 — охладитель; 5 — регенератор; 6 — аккумулятор воздуха; 7 — вспомогательный компрессор.
Газотурбовозы имеют ряд преимуществ не только перед паровозами, но по некоторым показателям и перед тепловозами. Так, удельная масса Г. , т. е. масса па единицу мощности, составляет около 50% массы паровоза и 75% массы тепловоза; компактность газотурбинной установки позволяет уменьшить длину локомотива примерно в 2 раза по сравнению с тепловозом равной мощности; силовая установка Г. не требует водоснабжения; простота конструкции газотурбинного агрегата обеспечивает надёжность и бесперебойность его работы, облегчает обслуживание и текущий ремонт. Управление Г. сводится к регулированию подачи горючего в камеру сгорания. Надлежащий режим электрической передачи обеспечивается автоматически.
В России по инициативе ОАО «РЖД» были изготовлены несколько опытных образцов маневровых газопоршневых локомотивов: • ТЭМ 18 Г — два образца были построены в 1997 -1998 гг. , максимальное замещение дизельного топлива газом — 50%, запас СПГ – 600 кг; • ЧМЭ 3 Г — 2004 г. , замещение дизельного топлива газом увеличено до 60%, запас СПГ — до 800 кг; решение о серийном производстве машин не было принято; • ТЭМ 19 — производство Брянского машиностроительного завода, мощность — 880 к. Вт (1196 л. с. ), запас СПГ — 4500 кг [4]; первая поездка состоялась в декабре 2013 г. , сейчас опытная эксплуатация продолжается на участке Голутвин–Карасево Рязанского направления Московской ж. д. В то же время продолжается работа над магистральными газотурбовозами: • ГТ 1 -001 — опытный образец, построен в 2007 г. на Воронежском тепловозоремонтном заводе (филиал ОАО «Желдорреммаш» ) на базе электровоза ВЛ-15, после модернизации и установки тяговой аккумуляторной батареи в 2012 г. переименован в ГТ 1 h-001; продолжается опытная эксплуатация; • ГТ 1 h-002 — опытный образец Людиновского тепловозостроительного завода на базе тепловоза ТЭМ 7 А, впервые представлен на выставке ЭКСПО-1520 в сентябре 2013 г. До 2020 г. планируется производство 40 подобных газотурбовозов
• Несмотря на многие проблемы, производители снова возвращаются к идее производства локомотива с газотурбинным двигателем. Определенный интерес к ним выражают и операторы подвижного состава. Причина тому — высокая мощность газотурбовозов, которая позволяет им перемещать составы большой длины и массы. • Для сравнения: мощность турбины нового российского газотурбовоза ГТ 1 h — 8300 к. Вт, а мощность дизелей широко распространенного в России магистрального двухсекционного тепловоза 2 ТЭ 116 — 4400 к. Вт (2 х2200 к. Вт). Данное преимущество особенно важно для замены газотурбовозами магистральных тепловозов на неэлектрифицированных участках. Согласно Проекту развития Восточного полигона ОАО «РЖД» , основные экспортные потоки (уголь, железорудное сырьё) в будущем могут быть направлены к восточным портам (Ванино и др. ) через БАМ, неэлектрифицированную железную дорогу, в таком случае применение магистральных газотурбовозов может стать экономически более целесообразным. • Большинство старых моделей газовозов строились для использования дизельного топлива и даже флотского мазута. При этом расход топлива превышал аналогичные показатели тепловозов. Сейчас как российские, так и зарубежные производители ориентируются в своих проектах в первую очередь на компримированный и сжиженный природный газ (КПГ и СПГ соответственно). • • Предполагается, что применение газовозов на СПГ позволит существенно сократить эксплуатационные затраты: • Во-первых, благодаря более дешёвому топливу: стоимость СПГ на 40 -50% ниже стоимости дизельного топлива. Такую цену на СПГ для транспорта — 50% от цены дизтоплива — даже было предложено закрепить на правительственном уровне; • Во-вторых, в силу более экономичного расхода топлива: по результатам испытаний, для газотурбовоза ГТ 1 h он ниже на 20 -30%, чем у тепловоза 2 ТЭ 116. • • Продолжая сравнение ГТ 1 h и 2 ТЭ 116, отметим, что запланированный срок службы газотурбовоза 40 лет — вдвое дольше, чем у тепловоза. При этом в теории потребность в ремонте у газотурбовоза ниже благодаря меньшему загрязнению движущихся частей в сравнении с дизельными двигателями. Это даёт возможность повысить коэффициент технической готовности локомотива, а также организовать его более эффективную эксплуатацию. • Таким образом, стоимость жизненного цикла локомотивов должна снизиться в части затрат на топливо и, возможно, на обслуживание и ремонт. • Газовозы считаются более экологичным видом тягового подвижного состава (ТПС) по сравнению с тепловозами. Испытания ГТ 1 h показали пятикратный запас по выбросам против действующих требований по дизельным двигателям. • GE Transportation, в свою очередь, предложило — Next. Fuel™ — комплект для модернизации тепловозов GE серии Evolution под двухкомпонентное топли-во. Модернизация позволит заменять 80% дизельного топлива на СПГ при сохранении мощности двенадцатицилиндрового двигателя около 3240 к. Вт (4400 л. с. )
• Описанные выше преимущества использования газа, кажется, бесспорны, но какова их цена? • В первую очередь — стоимость приобретения, она может быть выше, чем у тепловозов. Опытный образец ГТ 1 -001, произведенный в 2007 -2008 гг. на базе электровоза ВЛ 15 -008, обошелся в 200 млн. руб. [10] — вдвое дороже стоимости тепловоза 2 ТЭ 116 в то время. В 2012 г. вице-президент ОАО «РЖД» В. А. Гапанович заявлял, что стоимость ГТ 1 h будет на уровне цены магистрального тепловоза [11], однако основной контракт на поставку 39 газотурбовозов для РЖД ещё не подписан, и говорить наверняка пока преждевременно. • Во-вторых, стоимость жизненного цикла газотурбовоза может поднять стоимость более редкого, но дорогого ремонта. Главный источник дополнительных затрат — ремонт газовой турбины. Поэтому американские производители отдают предпочтение технологии газопоршневых локомотивов. Такие локомотивы, в отличие от оснащенных газовыми турбинами, не дают выигрыша по мощности, но позволяют сократить потребление дизельного топлива за счет газа и тем самым сократить выбросы в атмосферу и расходы на топливо (по оценкам — до 50%). • Ещё одна статья расходов, связанная с эксплуатацией нового типа ТПС — строительство инфраструктуры для заправки и замены топливных цистерн газотурбовозов. Запас хода ГТ 1 h от одной заправки (17 тонн СПГ) — 750 км. В настоящее время в России только один экипировочный пункт — на газораспределительной станции под Екатеринбургом — приспособлен для заправки локомотивов СПГ. • В ходе оценки экономической целесообразности проектов замещения существующего парка локомотивов газотурбовозами необходимо учитывать соотношение местных цен на энергоресурсы: дизельное топливо, электроэнергию и газ. Так в США в 2013 г. железнодорожный транспорт использовал 466, 1 трлн. БТЕ (~10, 9 млн. т) [12] дизельного топлива. Цена на природный газ в США с 2008 г. упала более чем в 3 раза и составляет всего 57% от цены дизельного топлива. • Таким образом, использование локомотивов на газе открывает перед железнодорожными операторами «окно возможностей» для экономии на стоимости топлива
Скачать презентацию Газотурбовоз локомотив с газотурбинным двигателем или комбинированным двигателем
лекция (законспектировать) на 01.10.15 .pptx