ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — СИЛОВОЙ АГРЕГАТ ТУРБОПОЕЗДА ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ
Доказана возможность повышения скорости движения поездов до 250 км/ч без существенных и дорогостоящих изменений пути и подвижного состава. При этом обычная конструкция локомотивов и вагонов требует снижения положения центра тяжести, перехода с колодочного на дисковое или комбинированное колодочно-дисковое торможение, изменения формы лобовых частей для уменьшения сопротивления воздушной среды и др. В скоростном движении, как уже указывалось, вес поезда, приходящийся на одного пассажира, должен быть небольшим.
Ввиду простоты конструкции и высокой удельной мощности, позволяющей снизить вес поезда и нагрузку от оси на рельсы, газотурбинная тяга является перспективной для междугородного пассажирского скоростного движения на неэлектрифицированных участках. В СССР, а также в США, Канаде, во Франции, в ФРГ ведутся испытания подвижного состава с газотурбинными двигателями. В Англии проектируются турбопоезда. При газотурбинной тяге по сравнению с электротягой не требуется установка дорогого стационарного оборудования.
Применение двухвального ГТД со свободной тяговой турбиной, имеющей благоприятную тяговую характеристику, позволяет использовать простейшую механическую передачу с высоким к. п. д.
Часто возникает вопрос о выборе двигателя для установки под полом вагона с целью увеличения пассажирских мест в поезде и определения величины тяговой мощности, которая может быть реализована через двухосную тележку с небольшой нагрузкой от оси на рельсы (10—11 тс). Газотурбинный двигатель должен обладать для этого мощностью 1500 л. с. при наибольшем диаметре не более 965 мм [25].
Два двигателя Dart фирмы «Rolls—Royce» способны обеспечить восьмивагонному поезду весом 250 тс на подъеме крутизной 3,3 °/00 скорость 185 км/ч.
Дальнейшее улучшение тяговых характеристик турбопоезда может быть достигнуто снижением веса прицепных вагонов. Путем сочленения каждой пары головных вагонов, опирая концы обоих вагонов на одну двухосную тележку, а также используя одну из осей этой тележки, как движущей, увеличивается сцепление без увеличения веса поезда.
На рис. 65 показан общий вид такого турбопоезда, построенного в США. Для повышения сцепного веса здесь применено также размещение подвагонного дизель-генератора, питающего установку для кондиционирования воздуха, под прицепным вагоном вблизи движущей тележки.
Во Франции испытывался двухвагонный поезд с максимальной скоростью 232 км/ч. Исследуются тяговые свойства ГТД в широком интервале изменения скоростей, аэродинамический эффект всасывания и выпуска больших масс воздуха двигателем, работа механической передачи и др.
Рис. 65. Внешний вид турбопоезда с сочлененной парой головных вагонов:
1 — установка для кондиционирования воздуха; 2 — топливный бак; 3 — аккумуляторная батарея; 4 — глушитель; 5 — вентиляционная труба; 6 — ГТД; 7 — глушитель диаметром 610 мм; 8 — реверс-редуктор; 9 — отсек для поездной бригады и багажа; 10 — дизель-генератор
Расчеты показали, что двухвальный ГТД и простейшая механическая передача весят 1,2 тс, а вес дизеля и ступенчатого механического редуктора составляет 10,5 тс при той же мощности. Это позволяет вдвое снизить нагрузку от оси на рельсы.
Для первого варианта турбопоезда выбран авиационный двухвальный двигатель Turbomeca, который развивает максимальную мощность 1495 л. с. Для условий железнодорожного транспорта мощность двигателя снижена до 1110 л. с., что позволяет увеличить его моторесурс до 2000 ч. Удельный расход топлива двигателем при полной нагрузке составляет 297 г/л. с. ч.
Фирма «United Aircraft» [27] создала два варианта турбопоезда. В первом варианте два трехвагонных турбопоезда для участка Бостон—Нью-Йорк (США). Каждый из них снабжен шестью двухвальными ГТД для тяги и одним ГТД для питания вспомогательных устройств. Во втором пять семивагонных турбопоездов для участка Монреаль—Торонто (Канада), которые будут эксплуатироваться сочленено в виде 14-вагонных составов, вмещающих по 660 пассажиров. Каждый 7-вагонный поезд имеет 4 ГТД для тяги и один для вспомогательных нужд.
Здесь предусмотрено интересное конструктивное решение узла тяговой передачи. Четыре газотурбинных двигателя располагаются попарно по обеим сторонам вагона; оси двигателей параллельны продольной оси вагона. Валы тяговых турбин двигателей подсоединяются к коническому редуктору, понижающему частоту вращения до 6000 об/мин. Далее в центральном объединяющем редукторе частота вращения снижается до 3600 об/мин. Двухступенчатые осевые редукторы ведущей тележки уменьшают частоту вращения ведущих осей до 1800 об/мин.
Испытания турбопоезда фирмы «Garret» с двумя одновальными ГТД фирмы «Budd» мощностью по 535 л. с. при 4370 об/мин также показали хорошие тяговые качества ГТД. ГТД имеет компрессор с двумя центробежными ступенями, кольцевую камеру сгорания и осевую трехступенчатую турбину. Запуск ГТД электрический. Размеры ГТД, включая редуктор привода вспомогательных устройств: ширина 960 мм, высота 600 мм, длина 1460 мм. Вес двигателя с редуктором и вспомогательными устройствами 482 кг. Удельный расход топлива 294 г/л. с. ч, а расход газа 2,9 кг/с при температуре за турбиной
530° С. Каждый ГТД соединен с передачей, состоящей из редуктора, гидромуфты, гидротрансформатора, двухскоростного реверс-редуктора и осевых редукторов. Максимальная скорость поезда 145 км/ч, ускорение 0,9 м/с2, замедление (служебное) 0,8 м/с2, замедление (экстренное) 1,34 м/с2.
В СССР находится в опытной эксплуатации силовой вагон, оборудованный вертолетной турбиной 350 л. с. Передача электрическая переменного тока.
Опыт использования авиационных газотурбинных двигателей с реактивными насадками проведен фирмой «New-York—Central» (США). На крыше вагона были установлены два таких двигателя. В одной из поездок была достигнута скорость 296 км/ч при мощности двигателей 7200 л. с. При этом отмечался очень сильный шум, являющийся основным препятствием для использования этих двигателей.