Газотурбовоз — как он устроен и работает

В предыдущих статьях мы кратко познакомились с устройством тепловозов, электровозов и паровозов. Это основные типы локомотивов, работающих на железных дорогах не только нашей страны, но и всего мира. Но существует еще один тип локомотивов, правда, который не пошел в серийное производство, но достойный небольшой статьи, это – газотурбовоз.

Как устроен газотурбовоз

Вдохновленные успехом применения газотурбинных двигателей в авиации и судостроении отечественные конструкторы локомотивов решили установить газовую турбину и на локомотив, в результате чего появился новый тип локомотива – газотурбовоз. Данная работа велась и в других странах.

Итак, газотурбовоз – это автономный локомотив, в котором роль двигателя выполняет газовая турбина. Данный локомотив по сравнению с тепловозом имеет преимущества и недостатки.

Преимущества газотурбовозов

• Газотурбинная установка (ГТУ) использует в работе более низкосортное топливо (керосин)
• ГТУ не требует водяного охлаждения
• ГТУ имеет  меньший вес, по сравнению с дизелем такой же мощности.
• Масла турбина расходует меньше, потому что в ее устройстве гораздо меньше подшипников и нет поршневого механизма. 

Все это позволяет получить большую мощность, по сравнению с обычным дизелем.

Недостатки газотурбовозов

Более низкий КПД ввиду ограничения температуры газов перед турбиной, из-за теплостойкости материала из которого изготовлены лопатки турбины и более резкое увеличение расхода топлива при неполной загрузке. В авиации ГТУ работают практически с полной нагрузкой постоянно, при низких температурах воздуха (- 40 – 60 градусов Цельсия) которые преобладают на больших высотах, в таком режиме расход топлива становится минимальным и в полной мере реализуется мощность.

На кораблях ГТУ тоже работают с постоянной нагрузкой длительное время, в машинных отделениях можно легко устанавливать довольно громоздкие теплообменники, благодаря применению которых достигается высокий КПД газотурбинной установки (за счет подачи на компрессор турбины постоянно холодного воздуха) вне зависимости от температуры наружного воздуха. Но с локомотивами все не так: они работают с резко изменяющейся нагрузкой и при достаточно широких колебаниях температуры воздуха (от -50 до +40 градусов Цельсия). Установить на них полноценные теплообменники также не представляется возможным из-за стесненных габаритов и весовых ограничений (это же не корабль). Поэтому получить такой же эффект от ГТУ газотурбовоза, как на самолетах и кораблях, практически невозможно.

С увеличением температуры поступаемого в турбину воздуха падает ее мощность и значительно возрастает расход топлива.

Устройство газотурбинной установки

Газотурбинные установки для газотурбовозов проектировались в двух вариантах: одновальные (классический вариант), в которых газовая турбина и лопатки компрессора расположены на одном валу, и многовальные, в которых газовая турбина (тяговая) непосредственно механически не связана с компрессором, который приводился в движение отдельной турбиной.

Проводились научно-исследовательские и конструкторские разработки по ГТУ, работающей на пылеугольном топливе с генератором газов (кстати, такой газотурбовоз был построен и эксплуатировался в США, о нем есть статья на нашем сайте). Также был разработан локомотив с механическим генератором газов и теплосиловой установкой, состоящей из газовой турбины и, так называемых, свободнопоршневых генераторов газов (СПГГ). Проще сказать, комбинацию этих машин можно рассматривать как дизель с газотурбинным наддувом, в котором мощность используется для привода турбины. В этой конструкции дизель из поршневой машины с шатунным механизмом, трансформируется в простую машину, в которой имеются только поршни, двигающиеся либо навстречу, либо друг от друга. В принципе такой газотурбовоз можно смело отнести к тепловозам, в которых газовая турбина является газовой передачей. 

Создание и производство газотурбовоза

Газотурбовоз с обозначенной ранее силовой установкой, и электрической передачей мощности (вообще на отечественных газотурбовозах применяется электрическая передача мощности от вала турбины к колесным парам, однако были попытки установки и механической передачи) был построен в 1960 году на Луганском (Ворошиловградском) тепловозостроительном заводе в односекционном варианте и получил обозначение: ГТ101-001.

Газотурбинная установка на всех типах экспериментальных (а серийно они и не строились) запускалась непосредственно при движении с поездом, для маневровых передвижений требовалась установка дополнительно дизель-генераторной установки. Разработкой и постройкой газотурбовозов занимались конструкторы локомотивостроительных заводов в тесном сотрудничестве с Центральным научно-исследовательским институтом МПС (ЦНИИ МПС) и Московским высшим техническим училищем им. Баумана (МВТУ). Главным инициатором разработок и постройки газотурбовозов являлся уже известный нам по паровозам, главный конструктор Коломенского тепловозостроительного завода, Лев Сергеевич Лебедянский.

В итоге всей этой большой работы было построено несколько единичных экземпляров газотурбовозов:

в 1960 году Луганский завод построил уже известный нам, опытный газотурбовоз ГТ101-001 с СПГГ, мощностью 3000 л.с., шестиосный с электрической передачей;

в 1959 году, Коломенский завод построил одну секцию шестиосного опытного газотурбовоза Г1-01, мощностью 4500 л.с., с электрической передачей;

в 1964 году Коломенский завод построил два экспериментальных пассажирских шестиосных газотурбовоза с электрической передачей ГП1, мощностью по 3500 л.с.

Эти машины построены на базе серийно выпускающегося пассажирского тепловоза ТЭП60. 

Работы по газотурбовозам начались и проводились совместно с проектированием и постройкой тепловозов. Конструкторы предполагали, что эти машины будут превосходить технические и экономические характеристики тепловозов, но этого не получилось. Все созданные опытные локомотивы во всех отношениях уступали уже эксплуатирующимся тепловозам. Поэтому было принято решение о дальнейшем прекращении работ по ним.

Решение это было правильным, газотурбовоз – тяжелый и сложный в устройстве и эксплуатации локомотив, а в мощности преимуществ перед тепловозами он не имел. Содержать парк таких локомотивов экономически было естественно невыгодно.

 Американцы тоже очень увлеклись этой идеей, но больших успехов в строительстве и применении газотурбовозов не достигли, хотя на их дорогах отдельные экземпляры трудились. Еще в некоторых американских компаниях пробовали сцеплять их с тепловозом, который разгонял состав, ну а дальше за дело брался газотурбовоз. Но конечно, такой способ экономически выгодным никак не назовешь.

Газотурбовоз в наши дни

В настоящее время к теме газотурбовозов вернулись снова. Наши Российские инженеры спроектировали, а заводы воплотили в металле два локомотива – ГТ1-001 (впоследствии добавился символ «h», что означает: гибрид), теперь это ГТ1h-001 и ГТh1-002.

Первый газотурбовоз вышел из ворот Воронежского тепловозоремонтного завода в 2007 году. Он был построен на базе двухсекционного грузового электровоза постоянного тока ВЛ15, в его кузове и с его экипажной частью – по две двухосные тележки на каждую секцию, восьмиосный. Оба локомотива работают на сжиженном газе.

Мощность данного локомотива составила 11284 л.с., за что ОАО РЖД в 2009 году было удостоено диплома Книги рекордов Гиннесса за создание самого мощного локомотива в мире, повторюсь, 11284 л.с. в одной секции. А 7 сентября 2011 года этот же ГТ1h-001 попал второй раз в Книгу рекордов Гиннесса, так как провел по испытательному кольцу ВНИИЖТ (ст. Щербинка) грузовой состав весом 16000 тонн (170 вагонов). Вот такой оказался знаменитый отечественный газотурбовоз.

В 2013 году Людиновский тепловозостроительный завод построил второй газотурбовоз ГТ1h-002. Это двухсекционный локомотив, той же мощности, но на четырехосных (тепловоз ТЭМ7) тележках, шестнадцатиосный.

В первой секции размещена силовая установка (газовая турбина), вторая секция бустерная, с резервуаром для сжиженного газа. Оба локомотива имеют электрическую передачу переменно-постоянного тока.

Газотурбовозы в настоящее время трудятся на железных дорогах нашей страны. ОАО РЖД планирует в будущем активно закупать их для вождения тяжеловесных поездов, особенно на дорогах, расположенных в регионах с активной добычей природного газа. Так что век газотурбовозов уже начинается, эти очень мощные локомотивы еще покажут себя во всей своей красоте и мощности на железных дорогах нашей страны.

Компания РЖД подготовила ролик, рассказывающий об устройстве газотурбовоза ГТ1h, предлагаю вам его посмотреть: