Дизели тепловозов и ГТУ газотурбовозов

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

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: 

• 1 – всасывание и сжатие воздуха;
• 2 – расширение (рабочий ход поршня) и выпуск отработанных газов.

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 %.

Еще об устройстве ГТУ можно почитать здесь.

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.