Что лучше тепловоз или газотурбовоз
Газотурбовоз — как он устроен и работает
Опубликовано 03.07.2020 · Обновлено 04.11.2021
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
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.
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
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1-300×200.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1-1024×684.jpg» width=»1024″ height=»684″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1-1024×684.jpg» alt=»Газотурбовоз ГТ1 | Газотурбовоз ГТ1 | Движение24″class=»wp-image-775 size-full» data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1-300×200.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1-768×513.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1.jpg 1024w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»Газотурбовоз ГТ1 | Движение24″ />
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.
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/y4-300×155.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/y4-1024×527.jpg» width=»1024″ height=»527″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/y4-1024×527.jpg» alt=»Газотурбовоз ГТ1 | Газотурбовоз ГТ1 | Движение24″class=»wp-image-848 size-full» data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/y4-300×155.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/y4-768×396.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/y4.jpg 1200w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»Газотурбовоз ГТ1 | Движение24″ />
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:
Голубое топливо или голубая мечта РЖД и «Газпрома»? Прошлое, настоящее и будущее газомоторных локомотивов в обзоре vgudok.com
Тема перевода автономного тягового подвижного состава железных дорог страны на газ давно будоражит учёные умы. Недавно ПАО «Газпром» и ОАО «РЖД» подписали Программу мероприятий по реализации заключённого ранее Соглашения в области использования газомоторного топлива.
Vgudok.com предлагает взглянуть на появление газомоторных локомотивов и оценить перспективы их использования.
Несомненный плюс газотурбинных двигателей (ГТД) — экологичность, а обратная сторона медали — повышенный шум. Другой «бонус», о котором не очень любят говорить вслух: использование газового топлива исключает возможность хищения дизельного топлива. Железнодорожники, с которыми мы пообщались, рассказали о масштабах проблемы.
Постройка газомоторных локомотивов (газотурбовозов) началась в США в сороковых-пятидесятых годах прошлого века. В качестве топлива газотурбовозы использовали мазут. По ряду характеристик (надёжность и возможность использования дешёвого мазута) новые машины значительно превосходили паровозы и существующие на тот момент тепловозы, но эксплуатационные параметры, самый главный из которых — мощность, оставляли желать лучшего.
Советский Союз включился в газовую историю позже. Лишь в 1955 году задача разработки отечественного газотурбовоза была поставлена главному конструктору Коломенского тепловозостроительного завода Льву Лебедянскому, именно в его честь в свое время серия «Л» была присвоена разработанному под его руководством паровозу. В конце 1959 г. был построен первый отечественный газотурбовоз Г1-01. В 1964 г. на базе тепловоза ТЭП60 были созданы пассажирские газотурбовозы ГП1-001 и ГП1-002.
Как «слить» с газотурбовоза топливо в случае непланового ремонта?
Эксплуатация опытных машин показала, что их КПД составляет 15%, а показатель расхода условного топлива выше, чем у тепловоза ТЭ3 в 2,3-2,4 раза. Газотурбовоз Г1-01 и два газотурбовоза ГП1 работали, не вызывая нареканий. В 1974 г. министр путей сообщения СССР Борис Бещев, инспектируя депо Льгов, с удивлением узнал, что газотурбовозы работают, и жалоб на них не поступало. Он сообщил об этом в своём ведомстве, и специалисты тяги поездов решили заказать Коломенскому тепловозостроительному заводу несколько подобных машин. Однако выяснилось, что это невозможно: помещения переданы другим цехам, сотрудники переквалифицировались, большая часть специального оборудования сдана в утиль. Эксплуатация первого поколения советских газотурбовозов прекратилась.
В дальнейшем научная и практическая работа по внедрению газомоторных локомотивов велась, в том числе, и в направлении постройки газодизельных машин. Слабым местом оставалось устройство впрыска и воспламенения смеси. К началу XXI века были сделаны выводы о том, что самой жизнеспособной является технология, основанная на применении шугообразного и сжатого природного газа (СПГ). Шугообразный газ обладает большей, по сравнению с СПГ, энергоёмкостью, но в настоящее время отсутствуют технологии, позволяющие организовать снабжение машин этим видом топлива. Остаётся СПГ, из недостатков которого — больший в два раза по отношению к дизельному топливу объём для получения того же количества энергии, но и стоит он в два раза дешевле дизельного топлива и не содержит вредных примесей, вызывающих коррозию узлов ГТД. Другой проблемный вопрос — как «слить» с газотурбовоза топливо в случае непланового ремонта.
Мощность локомотива определяется частотой вращения турбины — как на обычном тепловозе, где вместо турбины установлен дизельный двигатель.
На сегодняшний день в стране существует два экземпляра газотурбовозов и один газотепловоз. Разработаны они в АО «ВНИКТИ» (научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава). Два – ГТ1h-001 и ГТ1h-002 — грузовые магистральные локомотивы. Первая машина фактически представляет собой макетный образец, не подлежащий сертификации. На локомотивах применена электрическая передача переменно-постоянного тока: турбина вращает вал генератора переменного тока, который затем выпрямляется и подаётся на тяговые электродвигатели. Мощность локомотива определяется частотой вращения турбины — как на обычном тепловозе, где вместо турбины установлен дизельный двигатель.
На газотурбовозы в конструкцию добавлена тяговая аккумуляторная батарея, это позволило осуществлять маневровые передвижения без использования мощной газовой турбины. На второй машине применена бустерная (промежуточная) секция с ёмкостью для хранения СПГ. Криогенная ёмкость выполнена в виде контейнера, что позволяет снабжать машину топливом — как традиционным способом, так и путём замены ёмкости.
Вопрос с шумом решён путём наклейки на борта и некоторые агрегаты шумопоглощающих материалов. Полученные результаты соответствуют принятым в РФ нормативам.
По результатам эксплуатации ГТ1h-002 был сделан вывод о том, что эффективное использование данного вида тягового подвижного состава возможно при стоимости СПГ не более 50% стоимости дизтоплива.
Третий локомотив, работающий на сжиженном природном газе, — это газотепловоз, имеющий обозначение ТЭМ19. Назначение машины — маневровое и вывозное движение. Если первые два экземпляра имели кузова т.н. «вагонного» типа, то ТЭМ19 – «капотного» исполнения. Машина принципиально отличается от первых двух: вместо газотурбинного двигателя здесь используется газопоршневой двигатель. При работе на холостом ходу имеется возможность отключения части цилиндров.
В настоящее время маневровый газотепловоз ТЭМ19, как и оба ГТ1h, эксплуатируется на Свердловской железной дороге. По результатам проводимых с 2014 г. испытаний машины даётся оценка всех тонкостей применения газомоторной техники, все они будут учтены в дальнейших разработках. Одну из остростоящих проблем — отсутствие инфраструктуры снабжения топливом — «Газпром» вместе с РЖД намерены решить на Свердловской дороге до 2023 г. В более далёкое будущее никто не заглядывает, о расширении полигона использования газотурбовозов речи тоже не идёт. По крайней мере, на сегодняшний день.
Самый мощный локомотив в России
Опубликовано 26.07.2019 · Обновлено 05.11.2021
Сейчас мы рассмотрим серьезный вопрос: какой у нас локомотив самый мощный?
Скажу сразу, все современные тепловозы и электровозы обладают большой мощностью, достаточной для вождения тяжеловесных грузовых поездов и пассажирских поездов с большой скоростью, так сказать, «с ветерком». Но есть один тип локомотива, мощнее которого пока ничего не придумано. О нем я расскажу, чуть позже, сохраню интригу.
На Российских железных дорогах сейчас трудится большой спектр локомотивов все они современны и достаточно сильные. Пробежимся слегка по электровозам: ВЛ80С,Т; ВЛ85; 2ЭС4К; 3ЭС5К («Ермак») основные грузовые электровозы переменного тока, мощность в секции у каждого составляет порядка 4500 л.с., а все они многосекционные, вот и умножьте : две секции по 4500 л.с.- уже 9000 л.с., а три секции – вот и 13500 л.с., а если по системе многих единиц (два двухсекционных электровоза управляются с одного пульта) вот уже и 18000 л.с.! Неплохо, правда!
Практически такая-же картина и с электровозами постоянного тока: ВЛ10; ВЛ11; 3ЭС4К; 2ЭС6 («Синара»), мощность их точно такая-же.
Пассажирские электровозы: ЭП1; ЭП1М; ЭП1П отечественные машины переменного тока имеют мощность порядка 4000 л.с., есть у нас еще электровоз двойного питания (работает на переменном и постоянном токе), это ЭП20, мощность его такая-же. Давно, еще со времен Советского союза работают, и очень здорово работают, на наших дорогах знаменитые «Чехи» — пассажирские электровозы переменного и постоянного тока, произведенные в ЧССР. Эти машины составляли и еще составляют, практически весь пассажирский парк электровозов на доброй половине всех железных дорог России! Это электровозы переменного тока: ЧС4Т; ЧС8 и постоянного тока: ЧС2; ЧС3; ЧС2Т; ЧС6; ЧС7 и ЧС200, мощность их одинакова с отечественными электровозами.
Тепловоз 2ТЭ25К
В настоящее время Брянским машиностроительным заводом выпускаются тепловозы 2ТЭ25К («Пересвет»), мощностью до 4000 л.с., в секции, а они выпускаются в двухсекционном и трехсекционном исполнении. Вот и представьте себе, уже, наверное, посчитали – 12000 л.с. Очень даже мощно! Пассажирские тепловозы ТЭП60; ТЭП70 и ТЭП70БС (имени Бориса Саламбекова) имеют мощность 4000 л.с., исполняются в односекционном варианте и развивают скорость до 160 км/час, есть чем гордиться!
Газотурбовоз ГТ1
Ну и наш лидер, творение Людиновского тепловозостроительного завода – газотурбовоз ГТ1, мощностью 11284 л.с. Газотурбовоз – это локомотив, силовая установка которого состоит из газовой турбины с соответствующей передачей, на данном локомотиве, передача – электрическая, переменно-постоянного тока. Это когда турбина вращает генератор переменного тока (он намного легче и проще генератора постоянного тока), затем ток снова трансформируется в постоянный, через выпрямительную установку, и уже на постоянном работают тяговые электродвигатели (они мощнее и система регулирования напряжения на них гораздо проще и дешевле, чем на асинхронных электродвигателях).
Нельзя сказать, что газотурбовоз, машина нового, нет, они строились по всему миру и раньше, в СССР на Коломенском тепловозостроительном заводе было спроектировано и построено несколько типов газотурбовозов, в том числе и для пассажирского движения. Дело в том, что в эксплуатации данный локомотив очень сложен и прожорлив — газовая турбина все-таки! А мощность их сильно не опережала мощность эксплуатируемых тепловозов, поэтому в серию они не пошли, но работы по ним велись и ведутся по сей день, результат налицо – газотурбовоз ГТ1.
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1-300×200.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1-1024×684.jpg» width=»1024″ height=»684″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1-1024×684.jpg» alt=»Газотурбовоз ГТ1 | Газотурбовоз ГТ1 | Движение24″class=»wp-image-775″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1-300×200.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1-768×513.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/z5-1.jpg 1024w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»Газотурбовоз ГТ1 | Движение24″ /> Газотурбовоз ГТ1
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Несмотря на то что первый в истории газотурбовоз был построен в далеком 1938 году, этот тип локомотивов не получил распространения ни в Европе, ни в Америке. Тем не менее в конце сентября 2010 года из ворот коломенского ОАО «ВНИКТИ» выехал новейший российский локомотив — газотурбовоз ГТ1−001. Почему российские инженеры приняли парадоксальное решение о разработке подобной машины?
Сейчас мы об этом узнаем …
Железнодорожный транспорт — один из крупнейших потребителей нефтепродуктов в России. Доля потребления дизельного топлива составляет около 9% от общего потребления в стране. Поэтому железнодорожники поставили задачу замещения к 2030 году 30% расходуемого автономными локомотивами дизельного топлива природным газом. ОАО «РЖД» ведет работы по использованию сжатого газа в качестве моторного топлива для маневровых локомотивов. В них реализуется газодизельный цикл с замещением газом до 40% от общего количества потребляемого дизельного топлива. Реализуется также проект по совместному с ФГУП «Салют» созданию новой транспортной газовой турбины мощностью 1,0 МВт с повышенным КПД (до 40%).
Основной плюс газотурбовоза относительно других типов локомотивов — это возможность развивать огромную мощность при сравнительно небольших размерах и массе. Первые опытные образцы знаменитого французского поезда TGV были, к слову, газотурбинными. Но французы отказались от подобной конструкции ввиду дешевизны электроэнергии в Европе: газовая турбина оказалась в несколько раз накладнее. Тем не менее в районах, не оснащенных регулярной электрической сетью, газотурбовозы могли бы найти применение в качестве тяжелых грузовых локомотивов. Россия с этой точки зрения — идеальный плацдарм для использования такой машины.
Газотурбовозы пытались ввести в эксплуатацию неоднократно — в Швейцарии, Франции, США, Германии, даже в СССР. Большинство проектов пришлось на 1960-е годы — и все они потерпели неудачу по экономическим причинам. Газотурбовоз в несколько раз дороже тепловоза или электровоза из-за высокой цены турбины и сопутствующего оборудования. Чтобы такой проект окупил себя, стоимость эксплуатационных материалов, в частности топлива, должна составлять максимум 50−55% от стоимости дизеля. Как только цена на эксплуатационные материалы растет — машина становится неконкурентоспособной. В старых проектах в качестве топлива использовались нефтяные дистилляты, которые по стоимости были немногим дешевле ДТ.
Итак, испытания газотурбовоза ГТ1−001 закончены. Это первый в мире турбовоз, работающий на сжиженном природном газе (СПГ). Запасов последнего в России много, да и стоит он недорого — на этом и основана уверенность коломенцев в успехе предприятия. Преимущества использования сжиженного природного газа перед сжатым газом — значительно меньший объем, занимаемый топливом на борту, меньшая степень опасности и более высокая теплотворность, чем у пропан-бутановых смесей. Помимо того, при своих небольших размерах ГТ1 — один из самых мощных существующих локомотивов, способный заменить пять тепловозов. А примененная в нем система управления тормозами по радиосвязи открывает возможности для создания интеллектуальных тяжеловесных поездов.
Один за пятерых
Первый грузовой состав массой 3000 т ГТ1−001 провел еще в 2008 году. Машину строили на свой страх и риск — опыт в конструировании газотурбовозов минимален не только в России, но и в мире. По мере совершенствования конструкции и проведения новых испытаний нагрузку на локомотив увеличивали, и в январе 2009 года ГТ1−001 поставил рекорд, официально занесенный в Книгу рекордов Гиннесса: он провел по экспериментальному кольцу ВНИИЖТ в Щербинке поезд общей массой 15 000 т, то есть 159 вагонов.
Много это или мало? Если брать поезда, ведомые несколькими локомотивами, то мало. Рекорд самого тяжелого состава держится с 2001 года, когда австралийцы умудрились составить поезд из 682 вагонов, груженных железной рудой (общая масса 82 000 т), и восьми локомотивов. Но если говорить об одном локомотиве — то это безусловно рекорд. Вряд ли газотурбовозу придется транспортировать подобные грузы в реальных условиях, но он на это способен — доказано на практике. Правда, руководитель проекта, главный инженер Научно-исследовательского и конструкторско-технологического института подвижного состава Владимир Руденко утверждает, что это еще не предел. «Собственно, ГТ1 работал на средней мощности, — говорит Руденко. — Он сможет провести состав весом и в 20 000 т».
Перевозочный процесс на автономной тяге всегда требовал мощного локомотива. Проблема состояла в том, что дизельный двигатель с мощностью выше 3 500 кВт был бы слишком тяжелым, поэтому такой тепловоз превысил бы допустимые нагрузки на ось и попросту не вошел бы в требуемые габариты. Выходом стало применение достаточно легкой и компактной энергетической установки — газовой турбины. Мощность газотурбовоза — 8300 кВт. Это втрое больше, чем у стандартных тепловозов, используемых сегодня. Для того чтобы провести тот самый рекордный поезд массой 15 000 т, пришлось бы соединить не менее пяти секций магистральных тепловозов. Конечно, это не значит, что ГТ1 будет водить только сверхтяжелые поезда. РЖД собираются использовать его в сибирской части России, где довольно много неэлектрифицированных веток и даже легкие составы требуют экономичных и мощных локомотивов.
Испытания показали, что даже при полной нагрузке (не рекордной, конечно, а проектной) газотурбовоз может развивать скорость 100 км/ч. А 17-тонная емкость для сжиженного природного газа обеспечивает локомотиву 750 км пробега между заправками. «Он рассчитан на эксплуатацию, в частности, на БАМе, где много затяжных подъемов с большим уклоном. Сейчас для проведения обычного грузового поезда весом 6 000 т там требуется три тепловоза, что довольно неудобно», — говорит Руденко.
Тут стоит отметить, что мощность современных серийных электровозов может быть гораздо выше, чем 8 300 кВт. Вопрос стоял именно в постройке мощного локомотива, независимого от электрической сети. В связи с этим Руденко отметил и еще одно преимущество ГТ1: «По сути, мощность газотурбовоза стала такой же, как и у серийного грузового электровоза. Это позволяет железнодорожникам унифицировать вес поездов. При передаче состава с электрифицированных участков пути его не придется расформировывать под тепловозную тягу, как мы вынуждены делать сейчас».
На гребне волны
Хотя ГТ1−001 стоимостью 200 млн руб. вдвое дороже любого тепловоза, его жизненный цикл на 20% дешевле, так что инвестиции окупятся примерно за девять лет. Во-первых, дизельное топливо почти вдвое дороже природного газа даже с учетом его сжижения и транспортировки на большие расстояния. Уже в этом отношении газотурбовоз оказывается на 30−40% экономичнее тепловозов. К тому же использовать машину железнодорожники намерены в основном в Сибири, где дешевого газа хоть отбавляй. Газотурбинный двигатель работает на более щадящих режимах и имеет меньше трущихся деталей, что увеличивает его ресурс и делает газотурбовоз дешевле в ремонте и обслуживании.
«За последние 30 лет из-за старения техники трудоемкость обслуживания тепловозов увеличилась на 30−50%, — говорит Владимир Руденко. — В противовес этому надежность авиационных газотурбинных двигателей позволяет довести их наработку до 30 000 часов без разборки двигателя. А в локомотивном варианте ГТД эта величина может быть существенно большей. Трудоемкость обслуживания и эксплуатации сводится к заправке топливом и диагностированию, так как турбины не подлежат ремонту в условиях депо».
Есть и еще одна «политическая» причина, которая делает газотурбовоз перспективной разработкой. Это европейские экологические нормы. Да, электровозы проблем с экологией почти не имеют, а вот тепловозы… Львиная доля подвижного состава РЖД в 2012 году перестанет соответствовать нормам, вводимым Евросоюзом. А ГТ1 будет их опережать.
В тяговой секции ГТ1 помещены тяговый и вспомогательный электрические генераторы, а также силовой блок с газотурбинным двигателем. В бустерной секции находится криогенная емкость с запасом сжиженного природного газа. При работе газотурбинного двигателя сжиженный природный газ, хранящийся под давлением до 6 атм, подается в тяговую секцию через гибкое соединение с помощью криогенного насоса высокого давления. Там он проходит через теплообменник и газовый ресивер и попадает в камеру сгорания, которая и обеспечивает работу двигателя. Процесс полностью автоматизирован: контроль и управление системами хранения, регазификации, подачи газа, газовой турбиной и электрооборудованием во всех режимах работы локомотива осуществляют микропроцессорные системы.
Газотурбинный двигатель НК-361 мощностью 8 300 кВт для ГТ1−001 изготовил СНТК им. Н. Д. Кузнецова. Его КПД — порядка 30%. Для нового двигателя была найдена довольно эффективная схема регазификации, при которой сжиженный газ превращается в газообразное состояние в теплообменнике, установленном непосредственно в выхлопном патрубке турбины, без использования промежуточных теплоносителей. В принципе КПД газовой турбины при использовании современных материалов и наработок можно довести примерно до 40% — но это пока что работа на будущее. Конечно, колеса приводятся не напрямую от газовой турбины (слишком высока инерционность такого двигателя), а через электродвигатели, ток для которых вырабатывается за счет энергии ГТД. Это стандартная схема, которая применяется на всех газотурбовозах. Базой для газотурбовоза послужил серийный электровоз ВЛ15 — от него взяты рама и тележки.
В 2011 году газотурбовоз с двигателями самарского производства поставил очередной мировой рекорд – провез грузовой состав из 170 вагонов общим весом 16 тысяч тонн.
Новенького понемножку
ГТ1 оснащен современными приборами управления и устройствами безопасности движения. В кабине установлен контроллер, который регулирует мощность и скорость движения. На дисплеях отображается информация о работе двигателя, включая сведения о техническом состоянии каждого узла. Локомотив оснащен системой видеонаблюдения, контролирующей состояние оборудования в кузовах секций, рабочее место машиниста и обстановку по ходу движения поезда.
Пока снимаемая системой наблюдения «картинка» транслируется только в кабину машиниста, но в перспективе изображение будет передаваться в диспетчерский центр, специалисты которого смогут не только контролировать параметры работы локомотива, но и следить за физическим и эмоциональным состоянием машиниста. В чрезвычайной ситуации диспетчеры смогут дистанционно активировать систему экстренного торможения, которая автоматически выключит тяговые двигатели. Для работы на новом «железном коне» РЖД придется дополнительно готовить кадры. Все операции по управлению осуществляются с помощью компьютера, так что для машинистов потребуется повышение квалификации.
В ГТ1−001 применена новая система дистанционного управления тормозами (СУПТ) при помощи радиосвязи. Она позволяет в ближайшем будущем изменить принципы организации тяжеловесного движения, а также создавать интеллектуальные грузовые поезда. Ранее в хвостовую часть длинносоставных поездов необходимо было ставить дополнительный локомотив с машинистом для управления тормозами. Иначе был риск возникновения продольных динамических сил, которые могли разорвать состав. Российские инженеры создали устройство, которое располагается в последней трети состава и управляет тормозами по радиосвязи. Подобные разработки уже внедрены на железных дорогах США, они дают возможность в полтора раза увеличить скорость следования тяжеловесных составов и в два раза сократить длину их тормозного пути. За счет этого американские железнодорожники получили серьезный экономический эффект.
Теперь может измениться вся технология организации движения тяжеловесных поездов. Если ранее использовалась технология распределенных составов (где локомотивы располагались в начале, в хвосте и, при необходимости, в середине поезда), то теперь есть возможность сосредоточиться на тяге. Кроме того, внедрение СУТП позволяет создать интеллектуально управляемый грузовой поезд, где все процессы осуществляются «на автопилоте» с использованием радиосигнала.
В подготовке статьи неоценимую помощь оказали главный инженер ОАО «ВНИКТИ» Владимир Федорович Руденко и заведующий сектором конструкторского отделения Андрей Геннадьевич Воронков
На Север!
К обслуживанию газотурбовозов готовится инфраструктура Свердловской железной дороги.
В Екатеринбурге завершается строительство комплекса по производству сжиженного природного газа на ГРС-4. После ввода комплекса в эксплуатацию будет обеспечена заправка газотурбовоза ГТ1−001 и его работа на участке Свердловск-сортировочный — Верхний Уфалей. В дальнейшем на Свердловской магистрали планируется организовать эксплуатацию 90 газотурбовозов на сжиженном природном газе. На газ планируют переводить и маневровые локомотивы. До 2030 года будет организована эксплуатация газотурбовозов на объединенном полигоне Северной и Свердловской железных дорог.
Краткий курс истории газотурбовозостроения
В 1938 году швейцарская компания Brown, Boveri & Cie по заказу швейцарских федеральных железных дорог разработала газотурбовоз, получивший наименование Am 4/6 1101.
Это была первая в мире подобная конструкция. Ее полноценным испытаниям и совершенствованию помешала война, хотя Am 4/6 1101 водил составы вплоть до конца 1950-х. К тому времени газотурбовозы появились и в США, где в 1950—1960-х годах было разработано несколько десятков локомотивов с турбинами мощностью от 3300 до 6300 кВт. Но в 1969 году все американские опыты с ГТД были свернуты по причине экономической неэффективности.
В 1955 году Коломенский тепловозо-строительный завод приступил к разработке первого советского газотурбовоза. Отдельное КБ было сформировано из молодых энтузиастов, руководителем стал конструктор Лев Лебедянский. В 1959 году Коломенский завод построил первый газотурбовоз Г1−01 мощностью 3500 л. с., затем этим предприятием было выпущено два пассажирских газотурбовоза серии ГП1. Однако невозможность (на тот момент) конкурировать с электровозами свела на нет интерес руководства к новому проекту.
Последним советским газотурбовозом стал опытный ГТ101, построенный в 1960 году в Луганске. Три коломенских газотурбинных локомотива поступили в депо Льгов, где работали наравне с тепловозами и электровозами. До сегодняшнего дня ни один не сохранился.