Евгений Лосев - Турбовозы. История, теория, конструкция

ГТУ с одновальным турбокомпрессором с отбором воздуха или газа встраиваются в технологические процессы химических, нефтеперерабатывающих и металлургических производств.

Конструкции узлов стационарных, транспортных и авиационных ГТД и ГТУ достаточно разнообразны.

Корпуса узлов мощных стационарных и многих транспортных ГТУ обычно выполняются разъёмными по горизонтальной плоскости.

Среди судовых ГТУ наибольшее применение находят лёгкие прямоточные установки. ГТД состоит из воздухозаборника, компрессора низкого давления (КНД), компрессора высокого давления ( КВД), камеры сгорания, турбин высокого (ТВД), среднего (ТСД) и низкого давления (ТНД). ТВД приводит во вращение КВД, ТСД – КНД, ТНД работает на винт. Вал КНД и ТСД проходит внутри вала КВД и ТВД (конструкция «вал в валу»). Мощность ТНД передаётся винту через рессору и редуктор. Роторы всех трёх турбин имеют разную частоту вращения. Для передачи мощности от пусковых электродвигателей и для привода расположенных на корпусе двигателя механизмов служат передняя и основная коробки приводов. Маслоагрегат также получает мощность от вала компрессора. Все элементы ГТД смонтированы на общей раме. Кожух газоотводного патрубка сообщается с кожухом двигателя. Окружающий воздух эжектируется отработавшими газами и, проходя между кожухом и корпусом двигателя, охлаждает их.

Схема судового ГТД прямоточного типа.

1 – воздухозаборник; 2 – передняя коробка привода; 3 – задняя коробка привода; 4 – КНД; 5 – КВД; 6 – камера сгорания; 7 – ТВД; 8 – ТСД; 9 – кожух двигателя; 10 – ТНД; 11 – газоотводный патрубок; 12 – кожух газоотводного патрубка; 13 – рессора; 14 – редуктор; 15 – маслоагрегат; 16 – рама.

В судовых и стационарных ГТУ прямоточного типа имеется возможность дальнейшего увеличения температуры газа при одновременном повышении степени увеличения давления в компрессоре, и соответственно к.п.д. установки. Для применения высоких температур газа необходимо вводить интенсивное охлаждение проточной части и, в первую очередь, лопаток, поскольку жаропрочность металлических сплавов ограничена. В настоящее время практически ни одна ГТУ (или ГТД) не выполняется без охлаждения лопаток.

Газотурбинная установка замкнутого цикла (ЗГТУ) включает газоохладитель, понижающий температуру до начального значения и регенератор. Вместо камеры сгорания в ЗГТУ устанавливается подогреватель, в котором рабочее тело (обычно воздух) не смешивается с продуктами сгорания топлива.

Каждая газотурбинная установка обеспечивается рядом систем, относимых к вспомогательным, без которых, однако, работа установки невозможна. К ним относятся система смазки, обеспечивающей работу подшипников и редукторов, система регулирования, в которую можно включить и топливную систему, обеспечивающие устойчивую и надёжную работу установки на любом расчётном режиме от холостого хода до номинальной нагрузки, а также на режимах пуска и останова, система очистки воздуха и шумоглушения, а также система пуска установки. Важнейшую роль в обеспечении надёжной и высокоэкономичной работы газотурбинных установок играет система охлаждения или тепловой защиты установки, которая по сути состоит из ряда автономных систем, охлаждающих наиболее горячие и напряжённые детали и узлы установки и поддерживающих расчётный уровень термонапряжённого состояния деталей.

Применение паровой машины в качестве локомотивного двигателя серьёзно затрудняло конструкторам решение задачи улучшения как ходовых, так и тягово-теплотехнических свойств паровоза.

Суть в том, что:

– во-первых, поршневая машина является источником значительных сил инерции, обуславливающих своеобразные, весьма нежелательные «подёргивания» и «виляния» паровоза на ходу;

– во-вторых, преобразование прямолинейного движения поршня машины во вращательное движение колёс требует применения шатунно-кривошипного механизма, являющегося в свою очередь источником возникновения вредных, а при известных условиях – опасных для движущегося поезда динамических воздействий на железнодорожный путь, причём надлежащее уравновешивание возвратно-движущихся масс по мере возрастания ходовых скоростей паровоза становится всё менее достижимым;

– в-третьих, использование мощности паровозной машины ограничивается в силу конструктивных особенностей шатунной передачи величиной примерно 700—800 л.с. на одну движущую ось. Иначе говоря, от обычного паровоза, например, с пятью движущими осями в одной раме, можно получить не более 3500—4000 л.с., а с четырьмя осями – ещё меньше;

– в-четвёртых, поршневая машина плохо приспособлена для работы с высоким давлением и температурой перегрева пара, главным образом из-за смазки, уплотнений и т. д. Между тем, перегрев пара наиболее важен для повышения тягово-теплотехнической эффективности парового локомотива.

Преимущество паровой турбины перед поршневой паровой машиной, состоящее в экономии топлива, заставило подумать о применении турбины на паровозе. На протяжении ряда лет стремились добиться уменьшения расхода топлива паровозами путём перегрева пара и подогрева питательной воды (выходящими газами), но применение конденсации пара, которое может значительно увеличить коэффициент полезного действия паровой установки, по-видимому, возможно только при замене поршневой машины турбиной, достаточно простой в передаче работы и реверсирования и вполне применимой как тяговый двигатель локомотива, поскольку использование достаточно глубокого вакуума, возможное при цилиндрах большого объёма, при габаритных ограничениях в поршневом паровозе достигнуто быть не могло. Поэтому в различных странах были построены принципиально новые локомотивы, у которых паровая машина заменена паровой турбиной. Эти локомотивы получили название паротурбовозов.

Для возможности повысить к.п.д. современных паровозов и сравнения их в смысле экономичности с машинами стационарных установок необходимо применить принцип конденсации отработанного пара и механической тяги воздуха.

Этот вопрос в обыкновенных паровозах разрешается применением конденсационных тендеров и имеет главнейшим назначением уменьшение расхода воды. С другой стороны, конденсация мятого пара требует применения цилиндров больших размеров для повышения степени расширения, которые не всегда могут поместиться в габарите, что ограничивает возможность её применения.