§ 18. ЛОКОМОТИВНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Общие сведения.
Внедрение газовой турбины в качестве первичного двигателя локомотива встречает затруднения. Несмотря на большие потенциальные возможности, которыми она располагает, почти все газотурбовозы, выполненные по наиболее простой схеме одновальной газотурбинной установки (ГТУ), практически себя не оправдали из-за неэкономичного расходования топлива. Эксплуатационный удельный расход топлива на измеритель, как и следовало ожидать, оказался намного больше, чем у тепловоза.
Для одновального газотурбинного двигателя наиболее простой схемы (рис. 37), нашедшего применение на газотурбовозах, эффективный к. п. д. при температуре газа перед турбиной 700—800° С и наиболее благоприятных расчетных условиях может быть получен не выше 20—23%. Экономичность газотурбинного двигателя резко снижается при недогрузках, как видно на рис. 38, где показано влияние нагрузки на к. п. д. газотурбинного двигателя и дизеля. Здесь приняты для газотурбинного двигателя регенерация тепла и регулирование частоты вращения вала компрессора, что благоприятно сказывается на работе ГТУ при недогрузках. Коэффициент холостого хода газотурбинного двигателя достигает 25—35%.
К. п. д. газотурбинного двигателя может быть увеличен до значений к. п. д. двигателя внутреннего сгорания, и экономичность его при недогрузках резко повышена, однако при развитой тепловой схеме.
Рис. 37. Схема одновальной газотурбинной установки:
1 — компрессор; 2 — газовая турбина; 3 — камера сгорания
Рис. 38. Зависимости к. п. д. дизеля (1) и газотурбинного двигателя (2) от нагрузки
Перспективы увеличения экономичности газотурбинного двигателя связаны непосредственно с повышением его единичной мощности и температуры газов перед турбиной. Рост температуры газов перед турбиной способствует резкому снижению коэффициента избытка воздуха в камере сгорания и, следовательно, расхода воздуха в цикле. Это не только уменьшает потери работоспособности в камере от необратимого горения (см. § 6), но и сокращает затрату мощности на сжатие в компрессоре, снижает вес и габариты установки (рис. 39).
Главные трудности заключаются в создании недорогих жаропрочных материалов, необходимых при повышении температуры газа перед турбиной, а также в ограниченной возможности применения тяжелого жидкого топлива при высоких температурах газа вследствие ванадиевой коррозии.
Для иллюстрации возможностей газотурбинной установки на рис. 40 показаны результаты расчетов [7] к. п. д. ηе многовальной ГТУ с регенерацией, многократным подводом тепла и охлаждением воздуха согласно схеме рис. 41. Кривые, изображенные сплошными линиями, получены для температуры газов перед турбиной Т3=1073° К и температуры воздуха перед компрессором T1=288° К при политропных к. п. д. турбины и компрессора
= 0,85
и механических к. п. д.
= 0,98. Штриховые кривые получены для Т3=1473° К, Т1=293° К,
=0,9 и
=0,98.
Степень регенерации в обоих случаях φ=0,76. Мы видим, что в перспективе возможно повышение к. п. д. ГТУ до 55% при температуре Т3=1200° С. Оптимальная степень повышения давления при этом значительно увеличивается.
Некоторые возможности ГТУ могли бы быть использованы на локомотиве и при простейшей схеме для компенсирования перерасхода топлива, однако они до сего времени не реализованы, например выполнение ГТУ большой мощности в одной секции. Увеличение единичной мощности газотурбовоза, если, конечно, это соответствует условиям требуемой фактической нагрузки двигателя, приводит при высоком коэффициенте мощности на грузонапряженных линиях к экономическим выгодам. Между тем выполненные газотурбовозы имеют мощности, мало отличающиеся от мощности тепловозов. Исключение составляет дорога Юнион-Пасифик (США), где находятся в эксплуатации газотурбинные локомотивы мощностью 8500—10 000 л. с. в секции, рассчитанные на перевозку тяжелых составов с углем. Это обстоятельство в сочетании с благоприятным для ГТУ соотношением цен на газотурбинное и дизельное топливо и издержек по содержанию локомотивов сыграло свою компенсирующую роль.
Рис. 39. Зависимости к. п. д. (1) и удельного веса (2) ГТУ от температуры газа перед турбиной
Рис. 40. Зависимости к. п. д. ηе многовальной ГТУ от числа ступеней сжатия z и степени повышения давления π
Простота конструкции, малый удельный вес и небольшие габариты локомотивного газотурбинного двигателя (ГТД) имеют существенное значение при конструировании высокоскоростных пассажирских локомотивов.
В настоящее время в разных странах (США, Канада, Франция) созданы или находятся в стадии опытных исследований турбопоезда, оборудованные легкими газотурбинными двигателями главным образом авиационного типа. Основное назначение их — повышение скорости междугородного пассажирского движения на неэлектрифицированных участках без существенных изменений в верхнем строении пути и в подвижном составе.
Рис. 41. Схема многовальной ГТУ с регенерацией, промежуточным охлаждением воздуха и промежуточным подводом тепла:
К — компрессор; Т — компрессорная турбина; КС — камера сгорания; О — охладитель; СТ — свободная турбина
В скоростном движении особенно важно иметь небольшой вес поезда, приходящийся на одного пассажира, чтобы ослабить действие инерционных сил в процессе ускорения и торможения. Это достигается при использовании газовых турбин. По данным зарубежного опыта при переходе от поезда, ведомого тепловозом, к турбопоезду оказывается, что 3 тс веса силового оборудования газотурбовоза заменяют тепловоз весом 110 тс. Расходы по изготовлению сокращаются больше, чем вдвое.
Свойственный газотурбинному двигателю пониженный центр тяжести способствует «мягкому» вписыванию моторных вагонов в кривые при высоких скоростях. При единичной мощности ГТД до 1500 л. с. возможна установка его под полом вагона.
Опыт США показывает, что турбопоезд с одновальной ГТУ и гидротрансформатором является дорогим и малоэффективным. Предполагается использование нескольких двухвальных турбин для привода через механическую передачу осей вагонов, выполненных из легких сплавов. Наибольшая мощность, которая может быть реализована при двухосной тележке с нагрузкой от оси на рельсы 11 тс, равна 1500 л. с. Два таких двигателя обеспечивают восьмивагонному поезду весом 250 тс на подъеме 3,3°/00 скорость движения 185 км/ч.
Возможность применения механической передачи представляет существенное достоинство газотурбовоза. Дело в том, что одновальная ГТУ, как и двигатель внутреннего сгорания, не может обеспечить необходимые тяговые характеристики локомотива при механической передаче вращения ведущим колесам. Чтобы обеспечить наиболее выгодные режимы работы, локомотивный двигатель должен развивать постоянную мощность при любой скорости поезда. Это требует увеличения вращающего момента двигателя (или тягового усилия) с уменьшением скорости. Чтобы преодолеть сопротивление при трогании с места нагруженного железнодорожного состава, вращающий момент газотурбинного двигателя должен значительно превышать величину момента турбины при расчетной частоте вращения. В одновальной ГТУ, где частоты вращения валов компрессора и турбины одинаковы, с уменьшением частоты вращения ГТУ снижается количество воздуха, подаваемого в камеру сгорания, а следовательно, и расход газа через турбину. Кроме того, падает давление в конце сжатия и полезная работа на 1 кг воздуха. Вследствие этого вращающий момент одновальной ГТУ при снижении частоты вращения резко уменьшается (рис. 42). Это обстоятельство вынуждает при применении одновальной ГТУ на газотурбовозах прибегать к электрической передаче, обычно постоянного тока, для привода колес (рис. 43). Электрическая передача постоянного тока, включающая тяговые генераторы, тяговые электродвигатели и вспомогательные машины, дорога, тяжела и малоэкономична; ее к. п. д. равен 80—85%. Многовальный газотурбинный двигатель со свободной тяговой турбиной низкого давления, в частности наиболее простой двухвальной ГТД (рис. 44, а, б), позволяет применить механическую или электрическую передачу переменного тока. Так как турбины не связаны валами, они могут работать при разных частотах вращения, почти независимо друг от друга. Компрессорная турбина может развивать большую частоту вращения, обеспечивая высокую производительность компрессора, в то время как тяговая турбина может иметь малую частоту вращения или только пускается в ход.
Рис. 43. Одновальная локомотивная ГТУ с электрической передачей:
1 — компрессор; 2 — газовая турбина; 3 — редуктор; 4 — камера сгорания; 5 — электрический генератор; 6 — тяговый электродвигатель
Рис. 42. Зависимости вращающего момента двигателя от частоты вращения вала:
А — одновальная ГТУ; В — двухвальная ГТУ со свободной тяговой турбиной; С — дизель
При этом обеспечивается почти постоянная мощность двигателя независимо от частоты вращения вала и, следовательно, согласно известному соотношению (в системе СИ)
Из уравнения (149) следует, как указывалось выше, что для обеспечения наиболее выгодных режимов вождения поезда при высоких значениях Мi локомотивный двигатель должен развивать постоянную мощность при любой частоте вращения. Это обеспечивает необходимое увеличение вращающего момента двигателя или тягового усилия с уменьшением частоты вращения. Примерно такая закономерность имела место в условиях работы паровоза, где паровой котел выдавал машине постоянное количество пара определенных параметров независимо от частоты вращения последней. Таким образом, в момент трогания с учетом небольшого снижения в поршневых паровых двигателях относительного к. п. д. η0i с уменьшением частоты вращения, согласно выражению (150), момент достигал приданном полном расходе пара большой величины Mi*≈10.
В двигателе внутреннего сгорания с уменьшением частоты вращения вала и, следовательно, соответственно количества ходов поршня снижается количество подаваемого воздуха в камеру сгорания, а следовательно, и количество газа, участвующего в процессе расширения, и мощность двигателя. Вследствие этого вращающий момент резко уменьшается при снижении частоты вращения (см. рис. 42). Это вынуждает, как известно, применение электрической передачи для привода во вращение колес локомотива. Такая же картина (см. рис. 42) при более резком падении вращающего момента из-за резкого снижения к. п. д. с уменьшением частоты вращения имеет место для одновальной газотурбинной установки. В последней частота вращения компрессора не отличается от частоты вращения турбины. Следовательно, с уменьшением частоты вращения снижается количество подаваемого воздуха в камеру сгорания и расход газа через турбину. Кроме того, снижается давление воздуха в конце сжатия, что также влияет на работу, относящуюся к 1 кг воздуха.
В двухвальной локомотивной ГТУ и многовальной со свободно выделенной тяговой турбиной ввиду возможности запуска при трогании двигателя компрессорной турбины с большой частотой вращения (независимо от частоты вращения тяговой турбины) большая подача воздуха в камеру сгорания и, следовательно, обеспечение большего количества газа. Однако отношение вращающих моментов Mi* согласно выражению (150), достигает 2,9 (см. рис. 42) из-за снижения относительного к. п. д. газовой турбины при уменьшении частоты вращения. Эта величина достигается при степени реактивности турбины р=0,5, при которой имеет место меньшее падение к. п. д. Подробное исследование вопроса для газотурбинных установок проведено в работе автора [5].
Механическая передача более проста, чем электрическая, имеет к. п. д. 90—95%, не требует расхода мощности на охлаждение. Ее применение позволило бы уменьшить расход топлива газотурбовозом по сравнению с расходом при электрической передаче на 10—12%. Однако создание механической передачи для локомотивных ГТД относительно большой мощности встречает большие трудности. Это касается редуктора для снижения частоты вращения, механизма реверса, синхронизатора коробки перемены передач, подвода энергии от газовой турбины к осям локомотива. Освоение механической передачи для агрегатов большой мощности — одно из определяющих условий развития газотурбовозостроения.
Новый двигатель успешно пробивает себе дорогу, если он по конструкции и схеме отвечает своему назначению и условиям работы. Это особенно относится к газотурбинному двигателю, который может быть выполнен по самым разнообразным схемам, и к локомотиву, для которого выбор практически пригодных схем из-за требований, предъявляемых к нему, ограничен. Само собой разумеется, что внедряемый двигатель должен выполняться на достаточно высоком технически совершенном уровне.
История внедрения газовой турбины в отдельных отраслях хозяйства богата примерами, когда из-за несоответствия выбранной схемы, мощности, экономического режима и конструктивных недостатков ее применение задерживалось на длительное время.
Большое значение для тепловой экономичности ГТД имеет температура воздуха перед компрессором. Выбор для газотурбовоза полигона в районах с низкой средней температурой при расчете ГТД для работы при этой температуре может обеспечить существенную экономию топлива.
Один градус изменения температуры наружного воздуха оказывает такое же влияние на к. п. д. ГТУ, как r=Т3/Т1 градусов изменения температуры газов перед турбиной, но с обратным знаком (см. ниже). При температуре газов Т3= 1000 1100° К и воздуха Т1= 288° К r≈3,5-4.
Экономичность спроектированного таким образом газотурбовоза при переводе его в район с высокой температурой Т1, естественно, снижается.
Как видно из изложенного, имеется много путей повышения к. п. д. локомотивной газотурбинной установки, способствующих успешному внедрению газотурбовоза. Основными из них являются использование преимущества большой единичной мощности ГТД, повышение температуры газа перед турбиной, выбор схемы установки и величины расчетной мощности соответственно ожидаемым условиям работы локомотива.
Необходимо подчеркнуть недопустимость высоких аэродинамических потерь в турбомашинах локомотивной ГТУ. Относительные к. п. д турбины и компрессора достигли в настоящее время высоких значений (87—90%). Известно, что каждый процент снижения расчетного относительного к. п. д. компрессора приводит к уменьшению расчетного к. п. д. всей установки на 1,5—2%, а турбины — соответственно на 2,5—3%. При аэродинамически несовершенных турбомашинах особенно резко снижается к. п. д. установки при недогрузках, характерных для работы локомотива. Естественно, уже созданные до сего времени газотурбовозы с низким относительным к. п. д. турбомашин не должны влиять на оценку роли газовой турбины как первичного двигателя локомотива.
В табл. 20 приведены основные технические данные газотурбовозов [15], [38].
Таблица 20
* В числителе — для турбины высокого давления, в знаменателе — для турбины низкого давления.
Пути усовершенствования газотурбовоза должны быть обоснованы с точки зрения их экономической целесообразности, исходя из режимных условий его работы, размеров капиталовложений, стоимости топлива. Расчеты показывают, что при существующем соотношении между расходами на топливо и капитальными затратами для газотурбовоза имеются предпосылки к совершенствованию его теплового цикла путем применения более экономичного, хотя и более дорогого оборудования (см. § 33).
Достигнутый за последнее десятилетие прогресс и накопленный опыт в конструировании газовых турбин для самых различных применений, особенно в авиации, дают основание ожидать существенных сдвигов в создании экономичных локомотивных газотурбинных двигателей, отвечающих требованиям успешного внедрения газотурбовоза.