Преимущества газотурбинных двигателей

Преимущества газотурбинных двигателей. Названные недостатки дизелей заставляли конструкторов и ученых искать альтернативные варианты силовых установок для автономного подвижного состава.

Анализ показывает, что в настоящее время наиболее готовыми к применению на железнодорожном транспорте являются газотурбинные двигатели четвертого поколения, специально переработанные для нужд наземного транспорта. Не случайно в США в 2000 г. был выпущен на испытания пассажирский локомотив с газотурбинным двигателем. Привлекают низкие весовые и габаритные показатели ГТД, конвертируемость на природный газ, пропанобутановые смеси и жидкие топлива, получаемые из природного газа, высокая экологическая эффективность (выбросы вредных веществ при работе ГТУ в 15-20 раз ниже, чем при работе дизелей), малая трудоемкость текущего обслуживания, отсутствие ряда вспомогательных систем, присущих дизельным установкам, возможность повышения эффективного К.П.Д. до 50% и более при применении регенерации тепла, возможность использования твердых топлив при переводе на цикл с внешним подводом тепла и др. Конечно, сдерживающим фактором является высокая цена таких двигателей.

Однако по нашим расчетам стоимость жизненного цикла локомотива с ГТУ при применении природного газа или пропанобутановых смесей в 1,5-2,0 раза ниже: чем стоимость жизненного цикла тепловоза, работающего на дизельном топливе.

При расчетах не учитывался дополнительный эффект, связанный со снижением выбросов вредных веществ и платой за нарушение экологических требований [22]. Достигнутый в настоящее время КПД тепловоза не превышает 32 % (обычно 27 — 30 %) и ограничивается, главным образом, величиной КПД первичного двигателя, т.е. дизеля. Возможности его совершенствования в настоящее время исчерпаны.

Об этом свидетельствует тенденция изменения характеристик дизелей: за последние 30 лет среднеэксплуатационный КПД увеличился менее чем на 3 %. Дизель (а также газодизель) — это тепловой двигатель, и его КПД ограничен величиной КПД цикла Карно. Поэтому повышения КПД увеличением максимальной рабочей температуры цикла добиться не удается, так как начинается термическая диссоциация молекул.

Кроме того, снижается прочность деталей и их ресурс, что также накладывает ограничение. Температура выхлопных газов определяется степенью последующего расширения, которая, в свою очередь, ограничена габаритами дизеля и рядом других параметров, не позволяющих эту температуру существенно понизить. Таким образом, единственная возможность значительно улучшить характеристики тепловоза - это отказ от теплового двигателя в пользу химических источников тока - топливных элементов (ТЭ), непосредственных преобразователей химической энергии топлива в электрическую.

В сущности, ТЭ отличаются от обычных гальванических элементов лишь непрерывным подводом веществ, вступающих в токообразующую реакцию, и таким же непрерывным их отводом. Следует отметить, что топливные элементы не являются тепловым двигателем, и их КПД не ограничен циклом Карно, т.е. он теоретически может достигать 100 % (практически достигнутые значения — 60 - 80%). Более того, специфика токообразующих реакций такова, что электрическая работа может быть больше теплового эффекта реакции.

Построены и испытываются опытные образцы новой техники. Известны проекты применения ТЭ на городском транспорте. Существуют разработки стационарных теплоэлектростанций, в которых использование твердого топлива обеспечивается путем его газификации в газогенераторах, совмещенных с высокотемпературными ТЭ. Этот же путь (предварительная газификация) может быть использован и на передвижных энергетических установках [3]. Таким образом, перспективой на ближайшие 5-10 лет могут стать газотепловозы, а повсеместный переход на газотурбинную тягу в мире произойдет в 20-30-е годы, которую потом заменят тепловозы на ТЭ. 2. ГАЗОТУРБОВОЗЫ 2.1 Газотурбинный двигатель Газотурбинный двигатель – тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

Рабочий процесс газотурбинного двигателя может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объеме [4]. По своему предназначению газотурбинный двигатель (ГТД) — машина транспортная, поэтому при выборе типа силовой установки для первых типов локомотивов ему было уделено достаточно много внимания.

Начало использования газотурбинных двигателей на железнодорожном транспорте практически совпало с внедрением их в самолетостроении.

Если высокая удельная мощность такого типа двигателей обеспечивала им преимущество перед поршневыми в авиации, то в локомотивостроении они в то время не могли конкурировать с высокоэкономичными тепловозными дизелями. В последние годы тепловая экономичность газотурбинных двигателей значительно повысилась и уже вплотную приблизились к поршневым. Поэтому, естественно, снова возрастает интерес к использованию газотурбинной тяги на железнодорожном транспорте.

Впервые в мире локомотив с ГТД (газотурбовоз) № 1101 мощностью 1618 кВт (2200 л.с.) был построен в 1941 г. в Швейцарии фирмой «Браун-Бовери» для Швейцарских федеральных железных дорог. Газотурбинный двигатель (рис. 2) представлял собой одновальную силовую установку с регенерацией тепла уходящих газов, смонтированный на одной раме с редуктором и генератором постоянного тока. Рама также служила резервуаром для топлива и масла. Технические характеристики первых газотурбовозов и их газотурбинных двигателей (табл. 1). Рис.2. Газотурбинный двигатель газотурбовоза №1101 Таблица 1 Основные технические данные газотурбовозов, которые были построены первыми в различных странах Наименование параметов СССР Швейцария ЧССР Англия США Коломенский тепловозостроительный завод Фирма «Браун-Бовери» «Заводы имени Ленина» («Шкода») Фирма «Метрополи-тен-Виккерс» Фирма «General Electric» Г1 Г 110 180 ТЛ65900 18100 4500 8500 1 2 3 4 5 6 Год выпуска 1959 1964 1941 1949 1958 — 1960 1952 1948— 1954 1358—1961 Осевая формула Зо-Зо Зо-Зо 1+ 10+20+10+1 1+ 10+20+10+1 3+3 Зо-Зо 2о+20-20+20 2(30-30) Род службы Грузовой Пассажирский Грузопассажирский Пассажирский Грузовой Число секций 2 1 2 Общая масса, т 140 129 92,1 118 123 132 235 408 Запас топлива тяжелого (легкого) кг 9500 (1500) 11000 (850) 4200 (1500) 6580 (1000} 3420 (162) 6600 (4060) 2450 (3400) 8600 (8500) Нагрузка от оси на рельсы, тс 23,3 21,5 16,1 20,1 20,5 21,9 29,5 31,2 Конструкционная скорость, км/ч 100 160 113 145 85/125 145 105 Передача мощности на колеса Электрическая постоянного тока Механическая, две ступени скорости Электрическая постоянного тока Газотурбинный двигатель, тип Одновальный Одновальный с регенератором Двухвальный с регенератором Одновальный Мощность, кВт/л.с. 2574/3500 1618/2200 1838/2500 2265/3080 2206/3000 3309/4500 6250/8500 Число оборотов в минуту 8500 5200 5800 5550 7000 6900 4860 Удельный расход топлива, г/кВт-ч 327 376 380 — 328 380 _ Компрессор, тип Осевой Число ступеней 12 21 29 - 17 15 16 Расход воздуха, кг/с 26 28,1 28 29,7 22,6 41 72 Камера сгорания, тип Прямоточная, секционная Прямоточная Прямоточная, секционная Число камер сгорания 6 1 6 10 Ступеней турбины 4 2/1 5 2 Температура газов перед турбиной, "С 727 650 700 790 Количество построенных локомотивов 1 2 1 2 1 25 30 2.2