Канд. техн, наук Е. Т. БАРТОШ
ГАЗОТУРБИННЫЕ
ЛОКОМОТИВЫ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ТРАНСПОРТНОЕ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
Москва 1957
В книге в научно-популярной форме опи-
саны основные особенности работы и конструк-
ции нового типа локомотивов-газотурбовозов.
Дается общее понятие о принципах устройства
и действия газовых турбин и компрессоров;
приведены характеристики газотурбовозов в
сравнении с другими автономными локомоти-
вами.
Книга предназначена для широких кругов
железнодорожников, знакомых с основами фи-
зики.
Редактор инж. В. Г. ФРЕЙМАМ
ПРЕДИСЛОВИЕ
На железнодорожном транспорте нашей страны осуществляет-
ся техническая реконструкция тяги. На смену паровозу прихо-
дят новые мощные и экономичные локомотивы — электровозы,
тепловозы и газотурбовозы.
В соответствии с решениями XX съезда КПСС уже в 1960 г.
электрической и тепловозной тягой будет выполнено 40—45%
всего грузооборота; за пятилетие транспорт получит около
2 000 электровозов и 2 250 магистральных двухсекционных теп-
ловозов; на дороги страны поступят первые отечественные газо-
турбинные локомотивы.
Газотурбовозы — это локомотивы нового типа. Всего в мире
имеется пока что около 30 таких локомотивов. Однако изучению
особенностей работы газотурбовозов и проектированию новых
образцов уделяется в настоящее время очень большое внимание
у нас и за рубежом.
Одной из особенностей газотурбинных локомотивов является
разнообразие возможных схем их силовых установок.
Основным тепловым двигателем газотурбовоза является газо-
вая турбина. Газотурбовоз может использовать в качестве топлива
мазут, природный или искусственный газ, кусковое твердое топ-
ливо или угольную пыль, и в каждом случае локомотивы будут
существенно различаться как по конструкции, так и по особен-
ностям рабочего процесса. Даже для одного и того же топлива, на-
пример жидкого, газотурбовозы осуществляются по различным
схемам — с камерами сгорания жидкого топлива и с безвальными
поршневыми генераторами газов.
Для того чтобы детально ознакомиться с проблемой газотурбо-
3
возостроения, необходим большой капитальный труд. Настоящая
книга не может претендовать на это. Цель ее — ознакомление чи-
тателя с основными особенностями конструкции и работы современ-
ных газотурбовозов. В рамках возможного делается попытка
осветить главнейшие схемы газотурбовозов на жидком и твер-
дом топливах, по которым строятся или предполагается строить
локомотивы этого типа.
Отзывы и критические замечания читателей о книге просьба
направлять по адресу: Москва Б-174, Басманный тупик, 6а,
Т рансжелдориздат.
ВВЕДЕНИЕ
Газотурбовозы являются локомотивами, у которых, как это
видно из самого названия, первичным двигателем, т. е. непос-
редственным преобразователем тепловой энергии топлива в меха-
ническую работу, является газовая турбина. Турбина приводится
во вращение сжатым и нагретым газом. Поэтому, кроме турбины,
обязательными элементами газотурбинной установки являются
компрессор и камера сгорания (рис. 1). Атмосферный воздух сжи-
мается в компрессоре до давления 5—6 атм и поступает в камеру
сгорания. Здесь происходит сгорание введённого в камеру топ-
лива, в результате чего воздух нагревается до высокой темпера-
туры (600—750°С и более); смесь воздуха с продуктами сгорания
топлива поступает в газовую турбину, где расширяется на лопат-
ках, и приводит ее во вращение. Часть мощности турбины отдается
на вращение компрессора, часть поступает к потребителю. Пере-
дача энергии от вала турбины к потребителю (в локомотивах — к
движущим колесам) производится с помощью различного типа пе-
редач — электрической, механической, гидравлической и т. д.
Газовая турбина как тепловой двигатель известна очень давно,
и значительный вклад в развитие газотурбиной техники сделали
русские ученые и изобретатели. В 1892 г. П. Д. Кузьминскому
удалось впервые построить такой двигатель. В 1908 г. В. В. Ка-
раводин разработал пульсирующую газовую турбину.
Проф. А. Н. Шелесту и инж. Е. Е. Лонткевичу принадлежит идея соз-
дания установки с так называемым безвальным поршневым гене-
ратором газа.
Однако практическое внедрение газовых турбин сильно задер-
жалось по сравнению с паровыми машинами и турбинами, а также
поршневыми двигателями внутреннего сгорания. Произошло это
потому, что газотурбинная установка может иметь высокий коэф-
фициент полезного действия лишь при наличии высокоэкономич-
ных компрессоров и газовых турбин, а также при достаточно вы-
соких температурах газа, поступающего в турбину. Вот почему
газотурбинный двигатель стал находить широкое применение
в последнее десятилетие,—только после того, как были достигнуты
большие успехи в области проектирования экономичных компрес-
соров и турбин, а также в области создания жаропрочных сталей.
5
В настоящее время газовая турбина широко распространена
в авиации и начинает проникать в промышленность, водный и же-
лезнодорожный транспорт.
В нашей стране широко развернулась научно-исследовательская
и проектно-конструкторская работа по созданию первых отечест-
венных газотурбовозов.
В 1955 г. эскизные проекты различных схем газотурбовозов
были выполнены Харьковским заводом транспортного машино-
строения; над созданием первых опытных образцов газотурбовозов
в настоящее время работают Коломенский и Ворошиловградский
заводы; эскизное проектирование и исследование различных узлов
газотурбовоза на твердом и частично жидком топливе (по схеме
проф. Н. И. Белоконь) проводится Всесоюзным научно-исследо-
вательским институтом железнодорожного транспорта.
Газотурбинные локомотивы только ещё начинают своё су-
ществование. Построенные в ряде стран образцы опытных газо-
турбовозов уже показали достаточно удовлетворительные резуль-
таты эксплуатации.
ГЛАВА 1
ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ
Принцип работы турбины
Газовая турбина представляет собой тепловой двигатель, в ко-
тором тепло, получаемое в результате сгорания топлива, превра-
щается в механическую работу. В отличие от поршневых двига-
телей (паровых машин и двигателей внутреннего сгорания) газовая
турбина, так же как и паровая турбина, является лопаточным дви-
гателем.
Рис. 1. Принципиальная схема газотурбинной установки
Процесс тепловых двигателей совершается так называемым
рабочим телом—паром, газом или воздухом, обладающим определен-
ным запасом тепловой энергии и способным преобразовывать эту
энергию в механическую работу.
В поршневых двигателях пар или газ, расширяясь, сообщает
поступательное движение поршню, который далее, через криво-
шипно-шатунный механизм, приводит во вращение рабочий вал.
7
В лопаточных, турбинных двигателях потенциальная энергия
пара или газа вначале превращается в кинетическую энергию исте-
кающей струи, а затем эта кинетическая энергия на лопатках тур-
бины превращается в полезную работу.
Отмеченные особенности процесса расширения рабочего тела
обусловливают принципиальные конструктивные отличия турбин-
ных тепловых двигателей.
Газовая турбина (рис. 2) состоит из двух основных элементов:
соплового аппарата с направляющими лопатками и вращающегося
рабочего колеса (ротора) с рабо-
чими лопатками.
Совокупность каналов, обра-
зуемых направляющими и рабо-
чими лопатками, называют про-
точной частью турбины, а после-
довательное соединение направ-
ляющего аппарата и лопаток ра-
бочего колеса называют, кроме
того, ступенью турбины.
Прежде чем перейти к озна-
комлению с особенностями ра-
бочего процесса газовой турби-
ны, вспомним некоторые поло-
жения, относящиеся к движе-
нию тел.
Рис. 2. Схема газовой турбины При всяком движении твер-
дых тел, жидкостей или газов
мы наблюдаем пройденный за какой-либо промежуток времени путь.
Известно, что путь, проходимый в единицу времени (в час, минуту
или в секунду), называют скоростью движения. Движение может
происходить с различной скоростью и в любом направлении, а это
значит, что и скорость имеет не только величину, но и определенное
направление. Поэтому скорость твердого тела, частиц жидкостей
или газов можно изобразить в виде стрелки—вектора, т. е. отрезка
прямой линии определенного направления; длина отрезка в неко-
тором масштабе показывает величину пути, пройденного телом за
единицу времени, т. е. величину скорости, а его направление ука-
зывает направление движения тела с этой скоростью. Наиболее
простым является случай, когда тело движется по прямой с опре-
деленной скоростью и скорость все время совпадает по направле-
нию с пройденным путем. Но часто бывает и так, когда движуще-
муся прямолинейно телу приходится принять участие в другом
движении, отличном от первоначального и по величине и по
направлению скорости. Тогда действительное движение тела и его
скорость будут определяться некоторой суммой этих скоростей.
Рассмотрим известный пример с движением лодки, на которой пере-
езжают реку (рис. 3,а). Если бы течение воды в реке отсутствовало,
то лодка под влиянием усилий гребца перемещалась бы с неко-
8
торой скоростью точно поперек реки и проходила бы за каж-
дый промежуток времени вполне определенный участок пути ОВ.
Но течение реки за тот же промежуток времени относит лодку вдоль
оси реки на расстояние, обозначенное на рисунке отрезком ОА.
Это значит, что действительное движение лодки будет происходить
по линии ОС, т. е. лодка будет двигаться под некоторым углом по
отношению к берегу реки. Отрезки OB, ОА и ОС можно рассмат-
ривать как скорости, так как они изображают в масштабе отрезки
пути, проходимые в одинаковые промежутки времени. Итак, мы
видим, что если тело участвует одновременно в двух движениях
с разными и по величине и направлению скоростями, то действитель-
ная скорость тела находится не путем простого сложения скоро-
стей движения по отдельным направлениям, а как геометрическая
сумма — диагональ параллелограмма, построенного на векторах
скоростей. Из рис. 3,6 видно, что та же скорость ОС может быть
Рис. 3. Сложное движение лодки поперек реки
получена путем построения только части параллелограмма, или,
как называют, треугольника скоростей. Мы уста-
новили, что в условиях сложного движения скорости можно скла-
дывать геометрически, путем построения треугольников скоростей
но это значит, что этим же методом можно производить и вычитание
скоростей. Очень важным является то, что геометрическим сло-
жением или вычитанием мы получаем не только величины, но и на-
правления скоростей.
Теперь рассмотрим, как происходит течение газа в проточной
части турбины.
Сжатый и нагретый до высокой температуры газ или воздух
вначале поступает в сопловой аппарат турбины. Сопла, обычно
применяемые в газовых турбинах, представляют собой суживающие-
ся к выходу криволинейные каналы (рис. 4), расположенные по
окружности перед лопатками турбинного колеса (ротора). Про-
ходя по сопловым каналам, газ расширяется, давление его сни-
жается, а скорость возрастает до нескольких сотен метров в секунду,
и далее он поступает на лопатки рабочего колеса. Лопатки рабочего
9
колеса также образуют изогнутые каналы (см. рис. 4), поэтому га-
зовая струя, проходя по этим каналам, изменяет свое направление.
При движении газа в каналах по криволинейному пути в резуль-
тате изменения направления потока возникает центробежное дав-
ление на стенки лопаток, заставляющее вращаться турбинный
диск.
Допустим, что газ выходит из сопел направляющего аппарата
с некоторой скоростью, изображенной на рис. 5 в виде вектора Сх.
Совершенно очевидно, что с такой скоростью газ входил бы в меж-
лопаточные каналы рабочего ко-
rUHIUjJ
Рис. 4. Схема потока в турбине
мыми нам треугольниками с
леса лишь в том случае, если бы
ротор и лопатки оставались не-
подвижными. Номы уже устано-
вили, что под действием центро-
бежных сил потока ротор вра-
щается, а лопатки движутся по
окружности, как бы удаляясь
от сопел. Это значит, что при
входе в межлопаточные каналы
движение газа окажется уже
сложным: с одной стороны он
будет двигаться в каналах отно-
сительно их стенок с некоторой
скоростью, а с другой стороны—
двигаться вместе с лопатками по
окружности колеса. Здесь мы
сталкиваемся со случаем, когда
скорость газа Сг раскладывается
на две скорости, поэтому мож-
но воспользоваться уже знако-
ростей. Если к концу вектора
С1У изображающего скорость газа, отложить вектор U, равный по
величине и направлению скорости движения лопаток по окружности
колеса, и соединить между собой начальные точки этих векторов, то
мы получим треугольник скоростей. Третий вектор W, являющийся
третьей стороной треугольника, как раз и изображает скорость
входа и движения газа в межлопаточных каналах. Эта скорость,
поскольку она отражает движение газа только относительно ло-
паток вращающегося колеса, называется относительной
скоростью. Итак, мы пришли к очень важному выводу, что
газ движется в межлопаточных каналах ротора с относитель-
ной скоростью, отличной от скорости истечения из сопел и по
величине и по направлению.
Ранее мы уже говорили о том, что полезная работа турбины по-
лучается за счет использования части кинетической энергии струи
газа, вытекающего из сопел. Покидая турбину, газ имеет неко-
торую скорость, т. е. часть кинетической энергии газа не исполь-
зуется. Поэтому очень важно, какое значение будет иметь дейст-
10
вительная скорость газа за рабочими лопатками, т. е. какая часть
кинетической энергии бесполезно теряется.
Для определения скорости газа за рабочими лопатками вновь
воспользуемся построением треугольника скоростей. К моменту
выхода из межлопаточных каналов частицы газа участвуют в двух
движениях — в относительном движении со скоростью W и в дви-
жении вместе с лопатками колеса по окружности со скоростью U.
Очевидно, что если мы по этим скоростям построим треугольник
скоростей (см. рис. 5), то в результате получим действительную
скорость выхода газа из турбины С2. Посмотрим внимательно на
Рис. 5. Построение треугольников скоростей для
турбины
построенные нами входные и выходные треугольники скоростей,,
и мы обнаружим весьма важное обстоятельство. Как видно из
нижнего треугольника, скорость газа, с которой он покидает
рабочие лопатки турбины С2, зависит от окружной скорости
вращения лопаток U и от относительной скорости движения газа
в межлопаточных каналах W. С другой стороны, из верхнего тре-
угольника видно, что относительная скорость W в свою очередь
определяется значениями окружной скорости U и скорости выхода
газа из сопел Сх. Мы видим, что скорость С2, т. е. скорость, опре-
деляющая теряемую за турбиной кинетическую энергию, зависит
от двух скоростей U и Сг. Иными словами, эти скорости определяют,
какая часть энергии струи превращается в работу, т. е. определяют
экономичность турбины. Оказывается, что экономичность турбины
определяется не просто величинами скоростей U и Сг, а их отно-
шением — отношением окружной скорости U к скорости истечения
газа из сопел С±. При расчете турбин это отношение обычно выби-
рается в довольно узких пределах. Например, для газовых турбин
отношение И/С1 рекомендуется принимать равным 0,7—0,9. Это
11
значит, что по условию наибольшей экономичности скорость дви-
жения лопаток ротора по окружности должна составлять 70—90%
скорости истечения газа из сопел.
Последний вывод позволяет нам объяснить одно из самых важ-
ных свойств турбин — их быстроходность. В начале этого пара-
графа мы указывали, что газ приобретает скорость на выходе из
сопел за счет расширения, т. е. снижения его давления и темпе-
ратуры. Чем выше давление и температура газа перед сопло-
вым аппаратом, тем больше он может расшириться и тем выше
Рис. 6. Образование окружной ско-
рости лопаток турбинного колеса
его скорость на выходе из сопел.
Далее мы увидим, что в газовых
турбинах стараются, чтобы газ
перед турбиной имел возможно
большую температуру (700 —
750°С), давление же газа обычно
равно 5—6 атм. Поэтому в газо-
вых турбинах скорость газа Сг
достигает 300 — 400 м/сек и,
следовательно, окружная ско-
рость вращения лопаток долж-
на составлять 6'=200—300 м/сек.
Но от чего зависит окружная
скорость £7? Как видно из рис. 6,
окружная скорость лопаток U за-
висит от расстояния, на котором
находятся лопатки от вала тур-
бины R, и от числа оборотов
ротора. Обычно в газовых турби-
нах диаметр ротора не делают слишком большим (500—600 льм), по-
этому высокие окружные скорости U приходится обеспечивать за
счет очень высоких чисел оборотов турбины. Вот почему газовые
турбины работают при 8 000—10 000 и даже более оборотов
в минуту.
Когда мы выше рассматривали работу турбины, то полагали,
что увеличение скорости газа за счет снижения давления и тем-
пературы происходит только в направляющих соплах, в каналах
же между рабочими лопатками изменяется лишь направление от-
носительной скорости потока, что и заставляет вращаться турбин-
ное колесо. Такой принцип работы турбин называется активным и
соответственно такие турбины называются активными.
На рис. 7 показана проточная часть активной турбины. Ак-
тивные лопатки выполняются такой формы, что сечения каналов
между ними остаются постоянными на всем пути газа, поэтому от-
носительная скорость газа в межлопаточных каналах активной
турбины почти не изменяет своей величины (скорость снижается
только вследствие некоторых потерь от трения и вихреобразо-
вания).
12
Можно и другим путем заставить вращаться лопатки рабочего
колеса турбины.
Выполним рабочие лопатки таким образом, чтобы они образо-
вывали каналы не постоянного сечения, а суживающиеся к выходу
(рис. 8). Теперь подведем к лопаткам сжатый и нагретый газ.
Так как каналы суживаются к выходу, то относительная скорость га-
за будет не только изменять свое направление, но и увеличиваться,
а давление газа снижаться. На выходе из лопаток газ будет иметь
большую относительную скорость и меньшее давление, чем на входе.
Известно, что, если из какого-либо сосуда вытекает струя жид-
кости или газа, то сосуд испытывает так называемое реактивное дав-
ление в направлении, об-
ратном вытеканию струи
(рис. 9). Этотпринцип ши-
роко используется в реак-
тивных двигателях.
То же самое будет про-
исходить в рассматривае-
мом случае и с лопатками
рабочего колеса.
Лопатки турбины будут
испытывать не только цент-
робежное давление от пово-
рота потока, но и реактив-
ное давление и начнут вра-
щаться в направлении,об-
ратном направлению исте-
кающей из межлопаточных
Рис. 7. Схема активной ступени
каналов струи газов (рис.
10). Такой принцип работы турбин является смешанным—активно-
реактивным. Как мы видим, в таких турбинах расширение газа,
т. е. превращение его потенциальной энергии в кинетическую,
происходит и в неподвижных соплах и на рабочих лопатках колеса.
По преобразованию энергии характер работы турбины обычно
оценивается степенью ее реактивности. Под степенью реактивности
понимается отношение величины теплоперепада газа, который
превращается в кинетическую энергию потока на рабочих лопат-
ках, ко всему теплоперепаду, который может быть использован
в ступени, т. е. и на рабочих лопатках и в соплах.
Поясним это цифровым примером. Допустим, что в одной сту-
пени турбины каждый килограмм сжатого и нагретого газа прев-
ращает в кинетическую энергию 10 калорий тепла, из них 6 кало-
рий преобразуется в соплах и 4 калории — на рабочих лопатках.
Это значит, что на лопатках срабатывается 40% всего теплового
перепада и говорят, что степень реактивности ступени равна 0,4.
Принято различать активные и реактивные турбины по степени
реактивности. Активными турбинами называют такие, у ко-
торых степень реактивности либо равна нулю, либо очень мала
13
(0,1—0,15), при большей степени реактивности турбины называют
реактивными.
Реактивная лопатка выполняется иной формы, нежели активная.
Она имеет скругленную входную кромку и заостренную вытянутую
выходную (рис.
11). Такая форма придается лопатке для того,
чтобы при установке на колесе лопаток друг
около друга сам по себе образовывался ка-
нал, суживающийся к выходу.
Чтобы более полно уяснить себе характер
работы газа в турбине, вначале рассмотрим
более простой случай получения работы —
при расширении пара или газа в поршневой
машине. Представим себе (рис. 12), что в
цилиндре под поршнем находится сжатый газ
(или пар). Площадь поршня 50 см2, давление
газа 15 атм (килограммов на каждый квадрат-
ный сантиметр внутренней поверхности ци-
линдра). Пусть газ при расширении поднимет
поршень на 20 см, или 0,2 м. При расширении
газа его давление снижается и, когда поршень
Рис. 8. Суживающийся займет верхнее крайнее положение, оно будет
канал между^рабочими меньше ]5 ащм. Определим, какую работу
выполнит газ, поднимая поршень, если среднее
его давление при расширении составит 10 атм.
Из физики известно, что работа равна силе, умноженной на путь,
пройденный телом под действием этой силы; в свою очередь сила
равна давлению, умноженному на пло-
щадь. Итак, средняя сила, действую-
щая на поршень, будет равна 10 X 50=
=500 кг, а работа от перемещения поршня
500x0,2 = 100 кгм. Нетрудно видеть,
что тот же результат получается, если
сначала площадь поршня умножить на
его ход 50 х 20 = 1 000 ои3, а затем
полученный результат умножить на дав-
ление (1000 см3 х 10 кг!см2= 10 000 кгсм=
= 100 кгм). Произведение площади пор-
шня на его ход есть объем, на который
расширился газ. Таким образом, рабо-
та, которая совершается при расшире-
нии газа, равна его давлению, умножен-
ному на изменение его объема. Этим
свойством, как известно, пользуются при
Рис. 9. Реакция вытекающей
струи
изучении, например, работы паровозных паровых машин.
Изобразим процесс, происходящий в цилиндре паровой машины
в виде так называемой индикаторной диаграммы (рис. 13), — по
вертикальной оси будем откладывать изменение давления пара
в цилиндре, а по горизонтальной — изменение объема цилиндра.
14
Отдельные участки диаграммы будут в масштабе показывать
характер процессов, происходящих в цилиндре: от точки 1 до
точки 2 происходит наполнение цилиндров свежим паром, от точки 2
до точки 3 — расширение,
от точки 3 до точки 4 —
предварение выпуска, от
точки 4 до точки 5—вытал-
кивание отработавшего па-
ра и от точки 5 до точки
/ — сжатие, а затем цикл
может повторяться.
Выделим на диаграмме
небольшой заштрихован-
ный прямоугольник и опре-
делим его площадь. Нетруд-
но видеть, что площадь
прямоугольника будет рав-
на (Р — Pz) (V'—У),т.е.
работе, совершенной паром
на некотором участке хода
поршня. Но если это так,
то значит и вся площадь
индикаторной диаграммы изображает
паром в цилиндре за один ход поршня.
У турбины нет цилиндра, нет поршня.
Сопловые лопатки.
‘Рабочие лопатки
Рис. 11. Схема реактивной ступени
ние газа снижается, а объем увеличивается и на выходе из турби-
ны газ будет иметь давление Р2 и объем У2 (точка 2)\ процесс
расширения изобразится в виде кривой 1 — 2. Как же изобразится
работа газа? Оказывается, что и здесь можно представить себе
процесс подобно тому, как это было в поршневой машине:
линия 0 — 1 может рассматриваться как подвод газа к турбине
Рис. 10. Схема потока в реактивной
турбине
работу, совершенную
Однако процесс расши-
рения газа в турбине и ра-
боту газа также можно
весьма наглядно изобра-
зить графически.
Пусть по вертикальной
оси координат (рис. 14,а)
будут откладываться давле-
ния газа,а по горизонталь-
ной—его объемы. Подведем
к турбине сжатый и нагре-
тый до какой-либо темпе-
ратуры газ. Его давление
будет Рг и объем состоя-
ние газа можно изобразить
в диаграмме в виде точки 1.
При движении в проточ-
ной части турбины давле-
15
(аналогично наполнению цилиндра), а линия 2—3 как удаление
Газ или пар
Рис. 12. Расшире-
ние газа или пара в
поршневой машине
газов.
Таким образом, получается, что подобно индикаторной диа-
грамме заштрихованная площадь 0—1—2—3 изображает ту ра-
боту, которую можно получить за счет расширения газа от дав-
ления до давления Р2. Иными словами, эта
площадь характеризует собой работу газовой
турбины.
Известно, что при нагревании газа при по-
стоянном давлении объем его увеличивается.
Допустим, что газ перед поступлением в сопло-
вой аппарат турбины нагревается (при постоян-
ном давлении Рг) до температуры более высокой,
чем он обладал в ранее рассмотренном примере
в точке 7; тогда, очевидно, объем его будет боль-
шим, точка 1 сместится вправо и процесс расши-
рения газа пойдет по кривой Г—2' (см. рис. 4, б).
Нетрудно видеть,что работа газа в турбине в этом
случае (площадь 0—Г—2'—3) значительно уве-
личится. Это значит, что при увеличении тем-
пературы газа, поступающего в турбину, при
том же его давлении возрастает работа, которую можно получить
от турбины как теплового двигателя. Вот почему
газотурбинных установках стараются обеспечить
высокие температуры
газа перед проточной
частью турбины.
Газовая турбина, как
и всякий двигатель, не
может полностью прев-
ратить в работу все теп-
ло, которое подводится
к ней с газом. Более то-
го, оказывается даже
невозможным превра-
тить на лопатках в ме-
ханическую работу всю
кинетическую энергию
газа, которую он приоб-
ретает в результате рас-
ширения. Где же теряется энергия газа в турбине?
Прежде всего эти потери наблюдаются в соплах. При движении
потока в сопловых каналах газ трется о стенки, завихривается при
поворотах, а на это уходит часть его энергии. При переходе потока
из сопел на лопатки возможен удар его о входные кромки лопаток;
в межлопаточных же каналах, как и в сопловых, наблюдаются
потери энергии от трения и вихреобразования. Кроме того, имеют
место потери от трения турбинного диска в газе, а также за счет
в современных
возможно более
16
утечки газа через зазоры между лопатками и корпусом турбины.
Существенную роль при работе турбины играют потери от того,
что газовый поток выходит из турбины еще со сравнительно высо-
кой скоростью. Перечисленные потери характеризуют внутренние
процессы, происходящие в проточной части турбины, и поэтому
их называют внутренними потерями. Соответственно величине
этих потерь вводится и понятие внутреннего коэффициента полез-
ного действия турбины. Величина этого коэффициента показывает,
какая часть тепла, которое могло бы быть превращено в работу,
действительно перешла в энергию вращения турбины. Внутрен-
ний коэффициент полезного действия одноступенчатой турбины
обычно равен 0,7—0,8.
Некоторая часть мощности, вырабатываемой турбиной, расходует-
ся на так называемые механические потери. Эти потери связаны
Рис. 14. Процесс расширения газа в турбине
с тем, что быстро вращающийся вал турбины трется в опорных под-
шипниках, а также вращает регулятор числа оборотов и насос для
подачи смазки. Потери такого рода оцениваются механическим коэф-
фициентом полезного действия турбины, величина которого у газо-
вых турбин достаточно большой мощности достигает значений
0,97—0,98.
Основные типы и конструкция газовых турбин
Газовые турбины классифицируют по различным признакам:
принципу работы, числу ступеней, способу подвода газа, характе-
ристикам газа и назначению установки.
Как уже отмечалось, по принципу работы газовые турбины
разделяются на активные и реактивные в зависимости от того,
происходит или не происходит преобразование потенциальной
энергии газа в кинетическую на лопатках рабочего колеса.
В газовых турбинах транспортного типа, как правило, приме-
няется реактивный принцип работы. В некоторых случаях, когда
2 Зак. 1098	17
необходимо, чтобы перед поступлением на рабочие лопатки газ
уже значительно расширился и снизил свою температуру, применяют
активные ступени.
Реактивные ступени имеют более высокий коэффициент полез-
ного действия, нежели активные. Для объяснения этого рассмотрим
цифровой пример. Допустим, что в ступени турбины каждый кило-
грамм газа должен превратить в работу 16 калорий. Если это сту-
пень активная, то все 16 калорий превращаются в кинетическую
энергию струи в соплах, скорость потока в этом случае составит
около 350 м/сек. и соответственно этой скорости будет высокой
и относительная скорость движения газа в межлопаточных ка-
налах и, следовательно, потери на лопатках турбины от трения,
вихреобразования, а также и на выходе из колеса. Если же сту-
пень реактивная, например, со степенью реактивности 0,5, то в
соплах в кинетическую энергию превращается только 8 калорий
и скорость выхода потока из них составляет около 250 м/сек. Это
значит, что в реактивных ступенях поток проходит часть каналов
между рабочими лопатками с меньшей скоростью, чем в активных
ступенях, а поэтому меньшими оказываются и потери энергии.
Некоторую роль играет также и форма входной кромки ло-
паток. Как уже указывалось, входная кромка реактивных лопа-
ток выполняется скругленной формы. Поэтому при изменении на-
правления входа потока на лопатки, которое происходит, когда
турбина работает на частичных нагрузках, при скругленной кром-
ке не так сильно ощущаются потери энергии от удара струи газа
о лопатку.
Характерной особенностью работы реактивных ступеней яв-
ляется то, что давление перед рабочей лопаткой больше, чем за
лопаткой (ведь на лопатке происходит расширение газа, т. е. сни-
жение давления). Наличие же этой разности давлений приводит к
тому, что часть газа может протекать, минуя каналы рабочего
колеса, через зазоры между лопатками и корпусом турбины (рис. 15).
Так как утечки газа зависят от величины этих зазоров, то они осо-
бенно вредно сказываются в тех случаях, когда через турбину про-
ходят небольшие объемы газа и лопатки турбины имеют малую вы-
соту. В газовых турбинах через проточную часть пропускаются
очень большие объемы газа, лопатки получаются большой высоты
(100—200 мм) и утечки через зазоры не так сильно ощутимы.
Весьма важным классифицирующим признаком газовых тур-
бин является также число ступеней турбины. Обычно различают
турбины одноступенчатые и многоступен-
чатые.
Одним из основных недостатков одноступенчатой турбины яв-
ляется то, что в ней нельзя достаточно экономично превратить
в работу большие теплоперепады газа. Действительно, в односту-
пенчатой турбине большую роль играют потери кинетической
энергии от того, что газ покидает рабочие лопатки с большой ско-
ростью. Скорость выхода потока газа из лопаток зависит от
18
скорости потока при входе в них (а это определяется, как мы
уже говорили, величиной теплоперепада) и скорости, с которой
вращаются лопатки колеса. Очевидно, если увеличить тепловой
перепад, срабатываемый в ступени, т. е. скорость входа потока на
лопатки, но при этом сохранить неизменной скорость вращения
турбины, то возрастет скорость выхода потока из лопаток и сни-
зится коэффициент полезного действия турбины. Значит, если нужно
увеличить теплоперепад в одноступенчатой турбине, не ухудшая
ее экономичности, то нужно одновременно с этим повысить и число
оборотов турбины. Покажем это на цифровом примере.
Пусть мы имеем одноступенчатую реактивную турбину со сте-
пенью реактивности 0,5. Внутренний коэффициент полезного дей-
ствия ее равен 0,75, турбина работает при 7 000 оборотов в минуту
и каждый килограмм газа превра-
щает в работу на ее лопатках 20 ка-
лорий тепла. Как показывают рас-
четы, скорость выхода газа из сопел
будет в этом случае равна 290 м/сек,
а скорость выхода потока из лопа-
ток — 125 м/сек. Теперь увеличим
тепловой перепад на турбину вдвое,
т. е. до 40 калорий, но при этом
оставим неизменным число оборо-
тов. Тогда скорость выхода газа
из сопел возрастет до 400 м/сек, а
скорость выхода из рабочих лопа-
ток — почти до 300 м/сек-, к. п. д.
одноступенчатой турбины упадет ДО Рис. 15. Схема перетекания газа
значений 0,6—0,65. Оказывается,
для того чтобы в этих условиях сохранить прежний коэффициент
полезного действия турбины, необходимо увеличить ее число
оборотов до 10 000 в минуту.
К этому же выводу мы можем прийти, если вспомним, что эко-
номичность турбины сильно зависит от отношения окружной ско-
рости лопаток U к скорости выхода газа из сопел Сх. Так как от-
ношение и/Сх желательно по условию экономичности иметь вполне
определенным, то, очевидно, при увеличении теплоперепада в
турбине, т. е. скорости газа Сг, нужно соответственно повысить и
окружную скорость U, а это значит (при том же диаметре ротора)
нужно увеличить число его оборотов.
Число оборотов турбины нельзя увеличивать безгранично, так
как ее диски и лопатки подвержены очень большим усилиям. До-
статочно, например, сказать, что при 8000 оборотов в минуту
только центробежная сила на лопатку турбины превышает 5 т.
Вот почему одноступенчатые турбины делают в тех случаях, когда
нужно срабатывать небольшие тепловые перепады (20—30 кал/кг).
Как же выполняются мощные газовые турбины, например,
в газотурбовозах, когда необходимо превратить в работу до 100
2*
19
и более калорий тепла каждого килограмма газа? В этом случае
поступают так. Делят этот теплоперепад на части, каждую из
которых можно преобразовать в одноступенчатой турбине, и уста-
навливают эти одноступенчатые турбины последовательно одна за
другой с тем, чтобы так же последовательно происходило расши-
рение газа. Например, если в турбине необходимо превратить в
работу теплоперепад, равный 80 кал/кг, то, принимая в среднем на
ступень 20 кал/кг, получаем турбину, состоящую из четырех сту-
пеней. Таким путем получают турбины с различным количеством
ступеней (рис. 16).
В многоступенчатой турбине на каждую ступень приходится
сравнительно небольшой теплоперепад, что дает возможность осу-
Рис. 16. Схема трёхступенчатой
газовой турбины
ществить достаточно экономичную
работу ступеней.
Однако не только это является
преимуществом многоступенчатых
турбин. Оказывается, что многие
из потерь энергии газа, которые
имеются в ступени, можно полезно
использовать для работы газа в
следующих ступенях. Прежде всего
таким образом используется потеря
кинетической энергии газа на вы-
ходе из лопаток. Действительно,
если газ выходит из лопаток пер-
вой ступени с некоторой скоростью,
то эта скорость увеличит соответ-
ственно скорость выхода газа из
сопел второй ступени и, следова-
тельно, работу второго ряда рабо-
чих лопаток. То же самое будет
наблюдаться и в следующих ступе-
нях за исключением последней ступени, выходные потери из ко-
торой уже нельзя использовать в турбине.
Известно, что при трении тел друг о друга они нагреваются,
т. е. часть их кинетической энергии превращается в тепло. Это
происходит не только при движении твердых тел, но и жидких и га-
зообразных.
Если газ движется по каким-либо каналам, то за счет трения
его о стенки канала, а также трения между частицами газа при воз-
никновении вихрей, часть кинетической энергии газа превращается
в тепло и температура газа повышается. В одноступенчатой тур-
бине это дополнительное тепло нельзя использовать: оно целиком
уходит с газом. Однако в многоступенчатой турбине это тепло как
бы добавляется к тепловому перепаду следующей ступени и мо-
жет быть частично полезно использовано.
Ранее указывалось, что часть газа утекает в зазоры между
лопатками и корпусом, причем в одноступенчатой турбине эта
20
утечка является потерей. В многоступенчатой турбине утечка
каждой ступени используется в последующей ступени и только
утечка в последней ступени не может быть использована. Итак,
часть внутренних потерь энергии в отдельных ступенях многосту-
пенчатой турбины полезно используется, а это приводит к очень
важному результату. Оказывается, что коэффициент полезного
действия многоступенчатой турбины в целом получается выше по
сравнению с одноступенчатой турбиной той же мощности.
Внутренний коэффициент полезного действия многоступенчатых
турбин в настоящее время достигнут очень высокий и составляет
величину порядка 0,85—0,90.
По способу подвода газа различают турбины с парциальным
подводом, когда сопловой аппарат занимает часть окружности
рабочего колеса, и с полным подводом газа одновременно ко всем
рабочим лопаткам. Газовые турбины, как указывалось, выполня-
ются обычно реактивного типа и в них парциальный подвод газа
не осуществляется, так как в ступенях со значительной реактив-
ностью весьма существенным является перепад давлений по обеим
сторонам рабочего колеса, и при парциальном подводе происходила
бы значительная утечка газа. Кроме того, парциальный подвод
газа снижает коэффициент полезного действия турбины, так как
часть лопаток, на которые газ не поступает, в этом случае начинает
работать как лопатки вентилятора.
Классификация газовых турбин по характеристикам газа и по наз-
начению установок весьма разнообразна. Так, например, разли-
чают турбины чисто воздушные, газовые, паро-газовые и т. д.
По назначению газовые турбины бывают стационарные, авиацион-
ные, локомотивные, судовые, утилизационные (работающие на от-
ходящих газах доменных или других печей), турбины для наддува
воздуха в цилиндры двигателей внутреннего сгорания и т. п. Строго
говоря, эти наименования характеризуют не столько конструктив-
ные различия собственно газовых турбин, сколько различия сило-
вых газотурбинных установок в целом.
Конструкция газовых турбин достаточно проста. Как видно из
продольного разреза пятиступенчатой газовой турбины, при-
веденного на рис. 17, газовая турбина состоит из корпуса 1, или,
как иногда называют, цилиндра турбины, ротора 2, лабиринтных
уплотнений 4 и 5 и переднего 3 и заднего 6 опорных подшипников.
Цилиндр турбины выполняется литым и состоит из двух поло-
вин с разъемом в горизонтальной плоскости; нижняя часть ци-
линдра опирается лапами на фундаментную раму. В отливке ци-
линдра непосредственно предусматриваются входные и выходные
патрубки турбины, причем большие объемы пропускаемого газа
приводят к чрезвычайно большим размерам этих патрубков, осо-
бенно выходного. В цилиндре турбины размещается и неподвижный
сопловой направляющий аппарат. Направляющие лопатки встав-
ляются в обойму, укрепляемую в свою очередь в специальных
пазах.
21
Роторы газовых турбин в большинстве случаев изготовляются
многодисковой конструкции (рис. 17 и 18), причем по внешней по-
верхности у основания рабочих лопаток диски скрепляются между
собой или сваркой, или с помощью специальных скреплений. Ди-
ски первой и последней ступеней, кроме того, соединяются с перед-
ним и задним валами турбины.
Одним из наиболее ответственных элементов газовой турбины
являются рабочие лопатки. В газовых турбинах рабочие лопатки
L2
работают в очень тяжелых условиях. Ведь лопаткам приходится.
одновременно подвергаться воздействию и очень высоких темпера-
тур (600—750 и более градусов) и больших динамических усилий,
вызываемых быстрым вра-
щением турбины (до 10 000
об/мин и даже более). По-
этому как к конструкции,
так и к материалам лопа-
ток предъявляются особые
требования.
При прохождении пото-
ка газа через турбину он
расширяется, т. е. объем
его увеличивается, потому
и длина лопаток турбины
возрастает от первой к по-
следней ступени (см. рис.
16, 17).
Рис. 18. Ротор многоступенчатой турбины
Общий вид реактивной лопатки газовой турбины приведен на
рис. 19. Как видно, реактивная лопатка имеет у корня значительно
Рис. 19. Реактивная
большее сечение, чему вершины. По усло-
виям наивыгоднейшей работы потока газа,
лопатка по высоте довольно сильно закру-
чена. Крепление лопатки к диску выпол-
няется различными способами, однако до-
статочно хорошо себя зарекомендовал и
сейчас широко применяется так называемый
«елочный» способ укрепления лопаток
(рис. 20).
К материалам рабочих лопаток предъ-
является ряд специальных требований из-
за тяжелых условий их работы. При вы-
соких температурах и значительных на-
грузках размеры лопаток увеличиваются,
причем удлинение лопаток не исчезает при
снятии нагрузки и снижении температуры.
Это явление называют ползучестью. Если
материал лопаток недостаточно жаростой-
кий, т. е. плохо сопротивляется ползучести,
то удлинение лопаток может достигнуть
величины зазора между лопатками и кор-
пусом и тогда неизбежна авария турбины.
Горячие газы, омывающие лопатки, могут
лопатка	окислять металл, кроме того, струи газов
оказывают на лопатку и механическое
воздействие. Поэтому материал лопаток должен хорошо противо-
стоять этим воздействиям газового потока. Лопатки газовых турбин
нагружены изгибающими усилиями от действия потока, выходящего
23
из сопел. Эти усилия хотя и невелики, однако очень часто изменя-
ют свою величину (из-за наличия сопловых перегородок) и вызы-
вают усталость материала. Таким образом, материал лопаток га-
зовых турбин должен обладать высокоусталостной прочностью при
высоких температурах.
Сложность создания материала, удовлетворяющего всем этим
требованиям, усугубляется еще тем, что лопатки турбины должны
иметь большой срок службы, что особенно важно при создании
газотурбовозов. Наконец, материал лопаток должен хорошо от-
ливаться и поддаваться механической обработке, ибо, как мы
Рис. 20. Елочное укрепление
рабочих лопаток
видим, лопатки имеют довольно
сложную конфигурацию и требу-
ют точности в изготовлении.
Обычная сталь не может удов-
летворять таким требованиям,
поэтому для рабочих лопаток
применяются специальные спла-
вы хрома, марганца, ванадия,
молибдена и других редких ме-
таллов. Делаются попытки из-
готовления керамических лопа-
ток (кварц, карборунд, глино-
зем), которые могут выдерживать
значительно более высокую тем-
пературу, чем металл.
Однако создание керамической
лопатки, выдерживающей огром-
ные центробежные усилия, явля-
ется очень сложной задачей.
Проводятся исследования в на-
правлении создания лопаток, ох-
лаждаемых воздухом или водой, однако и здесь имеются серьезные
конструктивные и технологические трудности.
В проблеме создания высокоэкономичных газотурбинных уста-
новок наиболее сложной является проблема материала рабочих
лопаток, именно материал лопаток ограничивает возможность
повышения температуры газа перед турбиной.
Диски турбин, работающие в более легких температурных ус-
ловиях, изготовляются из стали, содержащей небольшие присадки
хрома, марганца, никеля и молибдена.
На концах вала, непосредственно прилегающих к крайним ди-
скам турбины, устанавливаются лабиринтные уплотнения (см.
рис. 17), предупреждающие утечки газа из проточной части.
В цилиндре турбины размещаются опорные подшипники вала.
Обычно они выполняются в виде подшипников скольжения с при-
нудительной смазкой под давлением. Однако уже сейчас в ряде
зарубежных и отечественных конструкций газовых турбин при-
меняются шариковые и роликовые подшипники.
24
Турбокомпрессоры
Процесс сжатия воздуха или газа совершается в специальных
агрегатах, называемых компрессорами (слово «компрессия» оз-
начает сжатие).
Компрессоры бывают различных типов в зависимости от прин-
ципа работы, направления движения потока, числа ступеней ком-
прессора и других признаков.
По принципу работы компрессоры, так же как и тепловые дви-
гатели, разделяются на поршневые и турбокомпрессоры.
Поршневые компрессоры до последнего времени были наиболее
распространенным типом компрессоров. Они и сейчас широко ис-
пользуются в промышленности, на транспорте, в сельском хозяй-
стве. Принцип работы поршневых компрессоров довольно прост,
а конструкция во многом напоминает поршневые паровые или га-
зовые машины. Ознакомимся с работой поршневого компрессора
по простейшей схеме, приведенной на рис. 21.
Рис. 21. Схема поршневого компрессора
Компрессор состоит из цилиндра, снабженного всасывающим
и нагнетательным клапанами, поршня и кривошипно-шатунного
механизма. Чтобы сжать воздух, нужно на это затратить работу
какого-либо внешнего двигателя. Будем вращать вал с сидящим
на нем кривошипом, например, электромотором. Кривошип пере-
дает движение шатуну, и тот заставит двигаться поршень в ци-
линдре. При движении поршня вправо в цилиндре за поршнем
давление станет снижаться, т. е. будет ниже атмосферного. Под
действием разности давлений снаружи и внутри цилиндра всасы-
вающий клапан откроется и воздух начнет наполнять цилиндр ком-
прессора. Наполнение будет происходить до того момента, когда
поршень придет в крайнее правое положение. В это время закроет-
ся всасывающий клапан. При дальнейшем вращении вала поршень
пойдет влево и станет сжимать воздух, находящийся в цилиндре.
Как только давление воздуха в цилиндре превысит давление воз-
духа в нагнетательной системе (трубопровод, резервуар), от-
25
кроется нагнетательный клапан. После открытия нагнетательного
клапана сжатый воздух вытесняется поршнем из цилиндра и на-
правляется к потребителю. Продолжая вращать вал с криво-
шипом, мы будем непрерывно чередовать процессы всасывания
и нагнетания воздуха, т. е. получать в необходимом количестве
сжатый воздух.
Одним из основных достоинств поршневых компрессоров яв-
ляется то, что в них можно сжимать воздух или газ до очень вы-
соких давлений. Если, например, соединить последовательно один
за другим ряд таких компрессоров и после сжатия воздуха в одном
цилиндре направлять его для дальнейшего сжатия в другой, то
таким путем можно сжать воздух до 200 и более атмосфер. Однако
поршневые компрессоры имеют и существенные недостатки. Они
тихоходны, как и вообще тихоходны поршневые машины, но, глав-
ное, требуют очень больших размеров для выработки большого
количества воздуха. Действительно, количество воздуха, которое
может сжать поршневой компрессор в единицу времени (в час,
минуту или секунду), зависит от объема цилиндра и от того, сколько
раз в единицу времени происходит сжатие, т. е. от скорости дви-
жения поршня. Вот почему поршневые компрессоры, кроме не-
которых специальных типов (безвальных поршневых генераторов
газов, см. стр. 64), не получают распространения в мощных стацио-
нарных и транспортных газотурбинных установках, где, как
указывалось, требуются большие расходы сжатого воздуха.
Турбокомпрессоры в отличие от поршневых компрессоров
осуществляют сжатие воздуха с помощью вращающихся лопаток
и, так же как и турбины, могут очень быстро вращаться, так как
у них нет тяжелых неуравновешенных и трущихся деталей. По-
этому они могут сжимать большое количество воздуха и при этом
размеры их оказываются небольшими. Число оборотов турбо-
компрессора в газотурбинных установках обычно делается та-
ким же, как и у газовой турбины, чтобы их можно было монтиро-
вать на одном валу и избежать каких-либо излишних передач.
Турбокомпрессоры получили самое широкое распространение в
газотурбинных установках.
Турбокомпрессоры в свою очередь разделяются на центробеж-
ные и осевые, или, как иногда называют, аксиальные.
По самому наименованию уже видно, что центробежными на-
зываются такие компрессоры, у которых воздух сжимается за
счет центробежных сил. Как же осуществляется этот процесс?
На рис. 22 показана схема центробежного компрессора. Как вид-
но, он состоит из входного устройства, рабочего колеса и выход-
ных патрубков; на колесе расположены расходящиеся от центра
веером рабочие лопатки. Если вращать рабочее колесо компрес-
сора, то воздух, находящийся между лопатками, начнет отбрасы-
ваться в сторону, подобно тому, как отлетает камень, оторвавшийся
при вращении от веревки, которая привязывала его к руке. Дви-
гаясь по каналам, между лопатками, воздух будет не только уве-
26
личивать свою скорость, но и сжиматься от действия центробеж-
ного давления воздуха, поступающего во входное устройство.
Таким образом, получается, что на выходе из рабочих лопаток
воздух имеет повышенное давление и большую скорость. Далее
воздух поступает в неподвижные каналы диффузора, расположенные
вокруг рабочих лопаток. Так как площадь проходного сечения
между лопатками диффузора увеличивается, то скорость про-
ходящего в нем воздуха уменьшается, а давление продолжает расти.
Из диффузора сжатый воздух поступает в выходные патрубки,
а оттуда уже к потребителю. Рассмотренный нами центробежный
компрессор называется одноступенчатым и в нем обычно удается
сжать воздух лишь до 3—4 ат. Если же необходимо сжать воздух
до более высокого давления, то последовательно включают не-
Рис. 22. Схема центробежного компрессора:
/ — входное устройство; 2— колесо с лопатками; 3— диффузор;
4 — выходные патрубки
сколько таких ступеней, т. е. после каждой ступени сжатый воз-
дух подают в следующую ступень, где он продолжает дальше ежи-
маться. Центробежные компрессоры достаточно экономичны, но,
главное, очень компактны даже при больших мощностях. Поэтому
они особенно широкое распространение получили в авиационных
газотурбинных установках.
По-иному работают осевые турбокомпрессоры. Осевыми, или
аксиальными, называются такие компрессоры, в которых направ-
ление движения воздушного потока является осевым — вдоль
вала компрессора.
Рабочий процесс осевого компрессора является как бы обрат-
ным в сравнении с процессом работы турбины: механическая ра-
27
бота, передаваемая рабочему колесу, тратится на сообщение воз-
духу кинетической энергии, которая далее в лопаточном аппарате
преобразуется в давление.
Процесс работы турбокомпрессора существенно отличается от
процесса, происходящего в проточной части турбины, поэтому
конструкция осевого компрессора, особенно по профилям
направляющих и рабочих лопаток, имеет большое различие с
турбиной.
В создании высокоэкономичных осевых компрессоров большую
роль сыграло развитие современной авиации и, в частности, работы
крупнейшего отечественного ученого в этой области Н. Е. Жуков-
ского. В осевом компрессоре мы наблюдаем движение в воздухе
рабочих лопаток подобно движе-
Спрямляющие Рабочие
попатни. лопатки.
нию крыла самолета. Но здесь
лопаток много и они расположе-
ны по окружности ротора, обра-
зуя расширяющиеся к выходу
каналы (рис. 23).
При вращении ротора лопат-
ки, стоящие под некоторым уг-
лом к плоскости вращения, как
бы набегают на неподвижный
воздух, заставляя его двигаться
в межлопаточных каналах. Ки-
нетическая энергия воздушного
потока при движении его в рас-
ширяющемся канале между ра-
бочими лопатками частично пре-
вращается в энергию давления.
На сообщение воздуху кинетиче-
ской энергии и энергии давления
и затрачивается работа враще-
Рис. 23. Схема лопаточного аппарата ния ротора компрессора,
компрессора	Рассмотрим, как устроен и
работает осевой компрессор. Осе-
вые компрессоры, так же как и газовые турбины, обычно выпол-
няются многоступенчатыми; каждая ступень состоит из рабочего
колеса с рабочими лопатками и спрямляющего аппарата (см. рис. 23).
Лопатки спрямляющего аппарата могут располагаться и перед
рабочим колесом и за ним. Неподвижные лопатки, установленные
перед первым колесом, создают необходимое направление воздуха
перед выходом его на рабочие лопатки, т. е. представляют собой
направляющий аппарат. Так как скорость потока изменяет в них
лишь свое направление, то сечения каналов между этими лопат-
ками остаются постоянными. При вращении рабочих лопаток
воздух проталкивается вдоль турбокомпрессора, отчего скорость
и давление воздуха увеличиваются. Лопатки, расположенные за
рабочим колесом, могут выполнять двоякую роль. Если каналы
28
между ними выполнить постоянного сечения, то они будут
изменять лишь направление потока воздуха перед следующим ко-
лесом; если же каналы сделать расширяющимися к выходу, то
при прохождении по ним воздуха скорость его будет снижаться,
а давление повышаться.
В многоступенчатом компрессоре (рис. 24) воздух, выйдя из
рабочих лопаток первой ступени, поступает в спрямляющий ап-
парат, а затем в следующее рабочее колесо второй ступени и т. д.
В последующих ступенях происходит дальнейшее повышение дав-
ления воздуха.
Работа ступени характеризуется степенью повышения давления
в ней, т. е. отношением конечного давления потока за ступенью
Ступени
1 . И , Ш .JH .ЗШЛ
TJi lUhUnUnUi lui-iuhung
Вход воздуха
Выход воздуха.
JnUnuniJnunununurm
Рис. 24. Схема осевого многоступенчатого компрессора
к давлению перед ступенью; степень повышения давления всего
многоступенчатого компрессора в целом равна произведению сте-
пеней повышения давления в отдельных ступенях.
Например, если в каждой ступени давление воздуха повышается
в 1,2 раза и в компрессоре 10 ступеней, то общая степень повышения
давления будет равна произведению степеней повышения давлений
всех 10 ступеней. В первой ступени мы получим 1,2 атм, так как
примем давление всасываемого воздуха за единицу. Во всех после-
дующих ступенях (от второй до десятой) давление воздуха бу-
дет повышаться в 1,2 раза в каждой ступени. Таким образом, сте-
пень повышения давления всего компрессора будет 1,210 =6,17,
т. е. взятый в примере компрессор сможет сжать воздух до
6,17 атм.
Протекание воздуха в расширяющихся каналах (диффузорах)
имеет некоторые особенности. Оказывается, что потери энергии
потока в них больше, чем в каналах суживающихся или постоянного
сечения. Когда воздух движется по расширяющемуся и, кроме
того, криволинейному каналу, то создаются условия для отрыва
29
потока воздуха от стенок, возникают дополнительные вихри в
нем, т. е. трение частиц друг о друга, и на это затрачивается не-
которая доля энергии. Чем более расширяющийся канал, тем
эти потери больше, однако при этом и больше снижается скорость
потока и соответственно повышается давление.
Как мы уже видели, межлопаточные каналы в осевых компрес-
сорах выполняются расширяющимися. Поэтому, чтобы избежать
излишних потерь энергии, в осевых компрессорах обычно не делают
сильно расширяющихся каналов между лопатками, т. е. слишком
большие степени повышения давления в отдельных ступенях, и,
кроме того, ограничивают угол поворота потока на лопатках.
Однако при этом число ступеней в компрессоре оказывается зна-
чительно большим, чем, например, число ступеней в турбине. Так,
в газотурбинной установке мощностью 3 000—4 000 л. с. число
ступеней турбины обычно равно 3—5, а число ступеней осевого
компрессора 10—15.
Теперь рассмотрим, от чего зависит работа сжатия воздуха
в компрессоре. Для этого воспользуемся тем же методом, каким
мы анализировали работу расширения газа в турбине.
При сжатии воздуха давление его возрастает, а объём умень-
шается, т. е. процесс сжатия является противоположным процессу
расширения. Пусть мы сжимаем в компрессоре атмосферный воз-
дух; его давлениеи объем У\. Состояние воздуха перед сжатием,
очевидно, изобразится (рис. 25) в виде точки 1. Начнем сжимать
воздух — его давление будет увеличиваться, а объем уменьшаться.
В конце сжатия мы придем в точку 2, процесс же сжатия изобра-
зится кривой 1—2. Теперь сопоставим полученную кривую с тем,
что мы получали ранее, изображая процесс расширения газа в тур-
бине (см. рис. 14). Нетрудно видеть, что различие состоит лишь
в том, что направления стрелок на кривых (направления процессов)
противоположны. Но для турбины мы установили, что заштрихо-
ванная площадь является работой расширения газа в турбине.
Очевидно, что в данном случае площадь 0—1—2—3 будет изобра-
жать работу сжатия воздуха, т. е. ту работу, которую необходимо
затратить извне, чтобы сжать воздух от давления Рг до давления Р2.
Теперь представим себе, что мы сжимали более холодный воздух,
чем в первом примере (в первом случае это был, например, теплый
летний воздух, а во втором холодный зимний). Чем холоднее воз-
дух, тем меньший он занимает объём, а это значит, что его состоя-
ние перед сжатием изобразится точкой Г, лежащей влево от точки 1.
Если теперь сжимать этот воздух, то процесс сжатия изобразится
в виде кривой Г—2'. Мы видим, что работа, которую нужно затра-
тить на сжатие воздуха от давления Рг до давления Р2, уменьшилась
(площадь 0—Г—2'—3).
Итак, чем холоднее воздух, тем легче его сжать, тем меньше ра-
боты затрачивается на компрессор. Эта особенность работы ком-
прессора оказывается очень важной при работе любых газотурбин»
ных установок, в том числе локомотивных.
30
Всю энергию, которая затрачивается на вращение компрессора,
нельзя, конечно, использовать на сжатие воздуха, так как в ком-
прессоре, как и в турбине, есть внутренние и механические потери.
Мы уже знаем, что часть энергии теряется за счет трения и вихре-
образования в межлопаточных каналах. При работе компрессора
имеют место утечки уже сжатого воздуха, некоторая часть энергии
расходуется на преодоление трения вала компрессора в опорных
подшипниках.
Эффективность работы компрессора, так же как и турбины, оце-
нивается внутренним коэффициентом полезного действия. Величина
этого коэффициента показывает, какая часть механической работы,
подведенной к компрессору, действительно превращена в энергию
давления сжатого воздуха.
Рис. 25. Процесс сжатия воздуха в компрессоре
В течение очень долгого времени не удавалось создать осевые
компрессоры высокой экономичности, и это не позволяло приме-
нять их в газотурбинных установках. Только в последние годы уси-
лиями ученых и конструкторов, наконец, была решена эта слож-
ная проблема. В настоящее время внутренний коэффициент полез-
ного действия осевых компрессоров достигает значений 0,85—0,90
и превосходит значения коэффициентов полезного действия порш-
невых и центробежных компрессоров. Вот почему осевые компрес-
соры получили сейчас очень широкое распространение в стацио-
нарных и транспортных газотурбинных установках.
При работе на локомотиве очень важно знать, как работает
компрессор не только на полную свою производительность, при
наибольшем числе оборотов, но и каковы его показатели на частич-
ных нагрузках. Оказывается, что в этом отношении осевые ком-
прессоры имеют существенные недостатки.
Первый недостаток заключается в том, что резко изменяется
степень повышения давления и коэффициент полезного действия
компрессора в зависимости от чисел оборотов и расхода воздуха.
Происходит это потому, что при снижении чисел оборотов компрес-
31
сора изменяется и количество воздуха, которое он сжимает, однако
сечения каналов между лопатками остаются неизмененными. В ре-
зультате воздух имеет меньшую скорость в каналах, а следова-
тельно, уменьшается и давление, до которого он сжимается. Ввиду
этой особенности работы лопаток режим совместной работы ком-
прессора и газовой турбины специально регулируют в пределах ра-
бочих режимов для того, чтобы получить наиболее благоприятные
показатели газотурбинной установки на переменных нагрузках.
Второй недостаток осевых компрессоров заключается в том, что
в зоне некоторых оборотов, в особенности при запуске или неполной
нагрузке газотурбинной установки, возникает так называемый
помпаж, когда нарушается нормальная работа всего компрессора.
Помпаж представляет собой как бы периодически повторяю-
Рис. 26. Возникновение срыва потока воздуха
на лопатках компрессора
щиеся мгновенные «за-
купорки» компрессо-
ра. Возникновение
помпажа в осевом
компрессоре обуслов-
лено срывами потока
воздуха с поверхности
рабочих и спрямляю-
щих лопаток. Дви-
гаясь по криволиней-
ному каналу, образо-
ванному лопатками,
воздушный поток по инерции стремится оторваться от выпуклой
стороны лопатки и прижаться к вогнутой (рис. 26). При изменении
направления скорости воздуха, связанной с изменением количест-
ва воздуха, проходящего через компрессор, срывные зоны стано-
вятся все более и более значительными. Возникновение срывного
режима в одной из ступеней компрессора ведет к нарушению нор-
мальной работы и всех остальных ступеней. Появляются периоди-
ческие колебания давлений и скоростей потока воздуха, возникает
своеобразный звук, наблюдается периодическое выбрасывание воз-
духа из компрессора во всасывающий патрубок. Для ликвидации
помпажного режима в осевых компрессорах иногда устанавливают
так называемые противопомпажные клапаны, через которые в мо-
менты срыва работы из средних ступеней удаляется часть сжатого
воздуха.
Конструкция осевых компрессоров во многом напоминает кон-
струкцию газовых турбин. На рис. 27 показан общий вид мно-
гоступенчатого осевого компрессора. Осевой компрессор состоит
из литого корпуса со входным 5 и выходным 1 патрубками и
спрямляющими аппаратами, ротора 2 с рабочими лопатками, лаби-
ринтных уплотнений 3, опорных подшипников 4.
У компрессоров с большим числом ступеней корпус обычно вы-
полняется с двумя разъемами: в горизонтальной плоскости и в вер-
тикальной.
32
Так как температура воздуха в компрессоре сравнительно не-
высока (200—250°С на выходе из компрессора), то спрямляющие
лопатки компрессоров находятся в более благоприятных условиях,
Рис. 27. Общий вид многоступенчатого осевого компрессора
нежели лопатки турбин, однако в отношении точности их изготов-
ления к ним также предъявляются высокие требования.
Рис. 28. Ротор осевого компрессора
Роторы осевых компрессоров обычно изготовляются барабан-
ного и дискобарабанного типа с постоянным внешним диаметром
барабана (рис. 27 и 28) или с переменным, обеспечивающим оди-
наковую высоту внешних концов рабочих лопаток (рис. 29). Диско-
барабанная конструкция роторов компрессоров сложнее в произ-
водстве, нежели барабанная, однако такая конструкция позволяет
о Зак. 1098	33
получать более высокие скорости рабочих лопаток, что способ-
ствует повышению напорности компрессора.
Рис. 29. Схема осевого компрессора с дискобарабанной
конструкцией ротора
В компрессоре от ступени к ступени воздух сжимается, т. е.
уменьшается в объеме, поэтому высота рабочих и спрямляющих
лопаток уменьшается к выходному патрубку (см. рис. 27).
Рабочие лопатки компрессоров, так же как и спрямляющие
лопатки, не подвержены действию
высоких температур, однако на них
действуют значительные центробеж-
ные усилия и изгибающие усилия от
действия протекающего потока воз-
духа. Лопатки осевых компрессоров
(рис. 30) выполняются различного
сечения по высоте—у основания сече-
ние несколько толще, чем у верши-
ны. Кроме того, они закручены по
высоте подобно воздушному винту
самолета.
Рис. 30. Рабочая лопатка
осевого компрессора
Лабиринтные уплотнения осевых
компрессоров, так же как и в газо-
вых турбинах, устанавливаются для
того, чтобы предотвратить утечки
сжатого воздуха.
Вал ротора компрессора опирает-
ся на подшипники. Опорные под-
шипники у компрессоров делаются
такими же, как и в турбинах: или в
виде подшипников скольжения или качения.
В осевом компрессоре, как мы уже знаем, воздух движется
вдоль оси и, следовательно, оказывает давление на рабочие и спрям-
34
ляющие лопатки. В результате возникает значительное осевое
усилие и поэтому необходимо устанавливать специальный упор-
ный подшипник. Однако такие же осевые усилия испытывает и
газовая турбина. Поэтому в том случае, когда осевой компрессор
посажен на один вал с газовой турбиной, их размещают таким
образом, чтобы осевые усилия в известной мере погашали друг
друга, и в таком случае условия работы упорных подшипников
значительно облегчаются.
3*
ГЛАВА 2
ОСОБЕННОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И КОНСТРУКЦИИ
СОВРЕМЕННЫХ ГАЗОТУРБОВОЗОВ
Принципиальные схемы локомотивных газотурбинных установок
Газовая турбина совершает работу за счет расширения сжатого
и нагретого рабочего тела, газа или воздуха, компрессор сжимает
воздух, причем, как известно, при сжатии повышается не только
давление воздуха, но и его температура. Если посадить на один
вал турбину и компрессор, а в турбине использовать лишь энергию
сжатого в компрессоре воздуха, то, очевидно, никакой внешней ра-
боты от нее получить нельзя, так как в противном случае такая
система явилась бы вечным двигателем, в котором можно было бы
получить работу без затраты энергии извне. Более того, наличие
различного рода потерь энергии в турбине и компрессоре неиз-
бежно приведет к тому, что такая система вообще работать не будет.
Для того чтобы газовая турбина могла не только приводить
в движение компрессор, но и совершать внешнюю работу, необхо-
димо, чтобы располагаемая энергия газа перед турбиной была бы
значительно большей, чем энергия сжатого в компрессоре воздуха.
Для этой цели на пути воздуха между компрессором и турбиной уста-
навливается специальное устройство, в котором происходит пре-
вращение химической энергии топлива в тепло и это тепло сооб-
щается сжатому воздуху. Полученная в этой так называемой топли-
воперерабатывающей аппаратуре дополнительная тепловая энер-
гия воздуха и является источником внешней работы газотурбинной
установки.
Итак, обязательными элементами всякой газотурбинной уста-
новки являются: газовая турбина, компрессор и топливоперера-
батывающая аппаратура (рис. 31). Понятие топливоперерабаты-
вающей аппаратуры является весьма общим понятием и характер
этой аппаратуры определяет схему газотурбинной установки по
роду использования различных видов топлива.
Если, например, в установке сжигается жидкое топливо или газ,
то в топливоперерабатывающую аппаратуру входит камера сго-
рания и топливоподающие устройства; если сжигается угольная
пыль, то, помимо камеры сгорания, сюда включаются устройства
36
для приготовления, транспортировки пыли в камеру, а также для
очистки газа и т. д.
В зависимости от рода применяемого топлива (жидкое, твердое,
пылевидное, газообразное) и от способов использования тепла
. Камера, сгорания
Рис. 31. Схема простейшей локомотивной газотур-
бинной установки
(регенерация) газотурбинные установки могут быть построены по
различным схемам. Эти схемы будут рассмотрены далее.
Ранее мы познакомились с графическим изображением про-
цесса расширения газа в турбине (см. рис. 14) и процесса сжатия
Рис. 32. Схема работы газотурбинной установки
воздуха в компрессоре (см. рис. 25). Теперь изобразим графически
процесс простейшей газотурбинной установки в целом (рис. 32).
Атмосферный воздух поступает в компрессор и в нем сжимается,
объем воздуха уменьшается, а давление возрастает. Это показывает
линия сжатия 1—2 (см. рис. 32). Далее сжатый воздух поступает в
топливоперерабатываютую аппаратуру, где в результате сгорания
топлива к воздуху подводится тепло. В современных локомотивных
газотурбинных установках процесс cj орания топлива и подвода
тепла к воздуху происходит непрерывно, и давление воздуха под-
держивается постоянным. Поэтому тепло, подводимое к воздуху,
37
повышает его температуру и увеличивает объем. Линия сгорания
(подвода тепла) в этом случае изображается, как линия постоян-
ного давления 2—3. Нагретый воздух или смесь воздуха с про-
дуктами сгорания (в зависимости от схемы топливоперерабатываю-
щей аппаратуры) поступает в турбину, где расширяется и совер-
шает работу. Линия расширения в турбине изображается в виде
кривой 3—4. Из турбины отработавшие газы выбрасываются в ат-
мосферу. Этот процесс изображается в виде горизонтальной пря-
мой 4—1.
Таким образом, процесс газотурбинной установки, или, как го-
ворят, ее цикл, изобразился в виде замкнутой фигуры 1—2—3—4.
Работа, которая получается в результате расширения газа на
лопатках турбин, как нам уже известно, изображается площадью
6—3—4—5 (рис. 33,а); работа же, затрачиваемая на сжатие воздуха
Рис. 33. Цикл газотурбинной установки
в компрессоре, — площадью 5—1—2—6. Таким образом, только
разность этих работ (площадь 1—2—3—4) может быть использо-
вана в качестве внешней работы, так как значительную часть мощ-
ности турбины потребляет компрессор. Так, например, в локомотив-
ных газотурбинных установках около 70% мощности турбины ухо-
дит на привод компрессора; если газовая турбина развивает мощ-
ность 10 000 л. с., то на сжатие воздуха в компрессоре расходуется
7 000 л. с. и только 3 000 л. с. может быть использовано для пере-
дачи на движущие колеса локомотива. Отмеченная особенность
является основной отрицательной чертой современных газотурбин-
ных установок.
Мы уже раньше установили, что с повышением температуры
газа, поступающего в турбину, работа ее увеличивается; с другой
стороны, с уменьшением температуры наружного воздуха умень-
шается работа, которую потребляет компрессор. Поэтому с увели-
чением температуры газов перед турбиной и уменьшением темпера-
туры воздуха перед компрессором, или, что то же, с увеличением
отношения этих температур, увеличивается полезная мощность
газотурбинной установки в целом (площадь Г—2'—3'—4' на
рис. 33,6). Этим, с одной стороны, объясняется стремление повысить
38
экономичность газотурбовоза путем повышения температуры газов
перед турбиной; с другой стороны, этим объясняется тот факт, что
газотурбинные локомотивы наиболее экономичны и развивают
наибольшую мощность в зимних условиях, т. е. в условиях низких
температур окружающего воздуха. Последнее обстоятельство,
кстати сказать, сыграло очень важную роль во внедрении газотур-
бинных установок в авиации в связи со значительным улучшением
работы газотурбинных двигателей при увеличении высоты полета
самолета.
Эффективность газотурбинной установки, как и любой другой
теплосиловой установки, оценивается значением коэффициента
полезного действия, под которым понимается отношение получен-
ной от нее полезной работы к затраченному ею теплу, выделив-
шемуся в результате сжигания топлива.
Основной потерей энергии в газотурбинных установках яв-
ляется расход мощности турбины на привод воздушного компрес-
сора. Поэтому чем менее совершенен компрессор, тем больше он
потребляет мощности на сжатие того же количества воздуха, тем
меньше получается и полезная мощность установки в целом. Тот же
результат получается и при снижении экономичности газовой тур-
бины. В среднем считают, что понижение коэффициента полезного
действия турбины или компрессора на 1% приводит к снижению
экономичности газотурбинной установки на 4—5%.
Значительную роль играют также потери энергии с высокона-
гретыми газами, покидающими турбину. Кроме того, имеются поте-
ри энергии в процессе сгорания топлива, за счет утечек воздуха
и т. д.
Повышение температуры газов перед турбиной—очень мощное
средство увеличения коэффициента полезного действия газотурбин-
ных установок. При средних значениях к. п. д. турбины и компрес-
сора (0,85) для получения полезной работы необходимо иметь тем-
пературу газов перед турбиной не ниже 400°С; при меньшей темпе-
ратуре вся мощность турбины расходуется на компрессор. Повы-
шение же температуры газов, например с 600 до 700° С, приводит
к увеличению к. п. д. установки на 3—3,5%, что эквивалентно со-
кращению расхода топлива примерно на 12—15%.
Повышение температуры газов перед турбиной, как отмечалось
выше, ограничивается жаропрочностью материала рабочих лопа-
ток. Поэтому в настоящее время эта температура в стационарных
и локомотивных газовых турбинах не превышает 700—750° С, что
соответствует к. п. д. установок порядка 20—22% (на жидком топ-
ливе). В авиации уже сейчас дают на лопатки газ с температурой
850—900°С, однако срок службы лопаток при этом весьма ограничен.
Существенное повышение экономичности газотурбинных уста-
новок дает использование тепла уходящих из турбины газов. Ухо-
дящие из турбины газы имеют достаточно высокую температуру
(400—450° С), поэтому часть этого тепла можно отдать воздуху и
тем самым снизить расход топлива на его подогрев.
39
Подогревать воздух перед компрессором, очевидно, не имеет
смысла, так как от этого только увеличится работа сжатия и сни-
зится общий коэффициент полезного действия установки. Поэтому
отходящими газами нагревают воздух после выхода его из ком-
прессора перед поступлением в камеру сгорания топлива (рис. 34).
Процесс подогрева воздуха осуществляется в специальных тепло-
обменниках, называемых регенераторами; такое использование
тепла уходящих из турбины газов называют регенерацией.
Температура газов, выходящих из турбины, примерно на 200—
250° С выше, чем температура воздуха, выходящего из компрессора.
Рис. 34. Схема газотурбинной установки с регенерацией тепла
Однако охладить газы до этой температуры, т. е. полностью пере-
дать воздуху это избыточное тепло, практически невозможно. По-
этому обычно воздуху передают только часть избыточного тепла
газов, или, как говорят, осуществляют установку с некоторой сте-
пенью регенерации. Таким образом, под степенью регенерации
понимается отношение тепла, действительно переданного от газов
к воздуху, к тому теплу, которое было бы передано, если бы воз-
дух за компрессором нагрелся до температуры уходящих газов.
Например, если газы покидают турбину с температурой 450° С,
а воздух выходит из компрессора с температурой 250° С, то при
полной регенерации нужно нагреть воздух на 450—250 — 200° С.
Если же удается нагреть воздух только на 100° С, т. е. до темпера-
туры 350е С, то это значит, что осуществлена степень регенерации
100 : 2С0 = 0,5.
Осуществление даже сравнительно невысокой регенерации
0,4—0,5 снижает расход топлива газотурбинной установкой на
15—20%.
40
Введение регенераторов, особенно на локомотивах, имеет и
свои недостатки. Прежде всего, регенераторы, особенно при боль-
ших степенях регенерации, оказываются значительного размера и
веса. Так, например, если на газотурбовозе мощностью 3 000 л. с.
нужно осуществить степень регенерации 0,5, то для этого необхо-
димо установить теплообменник весом 5—6 т.
Кроме того, регенераторы создают вредные дополнительные
сопротивления на пути движения сжатого воздуха и газов.
Для того чтобы теплообмен между газами и воздухом происхо-
дил достаточно интенсивно (а иначе поверхность регенератора по-
лучится чрезмерно большой), нужно, чтобы и газ, и воздух омывали
поверхность регенератора с достаточно большой скоростью. А для
этого нужно затратить энергию. В результате получается, что при
прохождении регенератора давление сжатого воздуха несколько
снижается, а турбина при этом должна расширять газы не до ат-
мосферного давления, как это происходит без регенератора, а до
несколько более высокого давления для того, чтобы газы далее
могли преодолеть сопротивление регенератора. Снижение давле-
ния газов при входе в турбину и повышение противодавления вы-
ходу газов из нее уменьшает полезную работу газа в турбине.
Таким образом, мы видим, что с увеличением поверхности реге-
нератора, с одной стороны, получается выигрыш от использования
тепла уходящих газов, а с другой стороны, несколько уменьшается
полезная работа турбины. Оказывается, что имеет смысл осуще-
ствлять степень регенерации лишь до 0,70—0,75. При дальнейшем
увеличении регенерации приращение к. п. д. установки становит-
ся все менее и менее ощутимым.
Мы познакомились с простейшей схемой газотурбинной уста-
новки с регенерацией и без регенерации тепла. По таким схемам
строятся современные газотурбовозы. Но этой схемой не исчерпы-
ваются возможности создания газотурбинных установок. Можно
осуществить более сложные и более экономичные схемы (двух-
вальные установки, промежуточное охлаждение воздуха между
компрессорами, дополнительный подвод тепла между газовыми
турбинами и т. д.), однако рассмотрение этих схем предствляет
собой довольно сложную задачу, выходящую из рамок настоящей
книги.
Газотурбовозы с сжиганием жидкого топлива в камерах сгорания
Сжигание жидкого топлива в камерах сгорания является наи-
более простым путем в создании газотурбовозов. Жидкое топливо
обладает целым рядом положительных качеств, делающих его
особенно удобным в использовании на локомотивах. Прежде всего
оно является высококалорийным топливом, т. е. при сгорании каж-
дого килограмма жидкого топлива выделяется больше тепла, чем,
например, при сгорании того же количества твердого топлива;
жидкое топливо не требует особой подготовки (как, например, ис-
41
пользование угольной пыли) перед его сжиганием. Но самым важным
для газотурбовозов является то, что жидкое топливо сжигается
в небольших камерах сгорания с очень высоким коэффициентом
полезного действия, и в потоке горячих газов за камерой сгорания
нет таких твердых частиц, которые могли бы быстро разрушать
лопатки турбины.
Вот почему все построенные до настоящего времени газотурбо-
возы работают на жидком топливе.
Газотурбовоз с сжиганием жидкого топлива в камерах сгорания
состоит из следующих основных частей: газотурбинной установки,
передачи, кузова с рамой и экипажной части. Кроме того, на газо-
турбовозе имеется целый ряд вспомогательных устройств, необхо-
димых для нормальной поездной работы.
Рис. 35. Газотурбовоз Дженерал-Электрик и Алко № 51
Газотурбинная установка является основным
двигателем газотурбовоза, т. е. в ней совершается преобразование
энергии топлива в механическую работу. Быстро вращающийся
вал газотурбинной установки является источником той мощности,
которую развивает газотурбовоз при ведении поезда.
Передачей называют совокупность устройств, с помощью
которых мощность, развиваемая газотурбинной установкой, пере-
дается к движущим колесам локомотива.
В кузове размещается все основное и дополнительное оборудо-
вание локомотива, кабина машиниста, запасы жидкого топлива и
смазки. Кузов газотурбовоза устанавливается на главной раме,
которая воспринимает весь вес оборудования и соединяет кузов
с экипажной частью.
Обычно кузов газотурбовозов по внешнему виду напоминает
тепловозный. В качестве иллюстрации показан внешний вид
уже построенных за границей газотурбовозов: американского газо-
турбовоза № 51 фирмы Дженерал-Электрик и Алко (рис. 35)
42
и английского газотурбовоза № 18100 фирмы Метрополитен-Вик-
керс (рис. 36).
Кабина машиниста и его помощника располагается в передней
части газотурбовоза, как это делается в тепловозах и электровозах,
и отделяется от машинного отделения звукоизолирующей пере-
городкой, так как газотурбинная установка при всасывании воз-
духа в компрессор и при выхлопе газов из турбины создает значи-
тельный шум.
В кабине машиниста устанавливается главный пульт управ-
ления газотурбинной установкой, передачей и вспомогательным
Рис. 36. Газотурбовоз Метрополитен-Виккерс № 18100
оборудованием, тормозная аппаратура и другие приборы, необхо-
димые для управления локомотивом (рис. 37).
Газотурбовоз, так же как и тепловоз, не имеет дышлового меха-
низма, подобного паровозному, поэтому его экипажная часть вы-
полняется в виде отдельных тележек, соединяемых шкворнями
с главной рамой.
Число осей и число тележек в газотурбовозе зависит от того,
какова его мощность и какую нагрузку можно допустить на каж-
дую ось. Так, например, американский газотурбовоз серии № 51
(см. рис. 35) мощностью около 4 000 л. с. и весом 236 т имеет четыре
двухосные тележки и нагрузка на каждую ось составляет 29,5 т,
газотурбовоз № 18100 (см. рис. 36) имеет мощность около 2 500 л. с.
и вес 131,5 т, экипажная его часть выполнена в виде двух трехос-
ных тележек и нагрузка на каждую ось составляет 21,9 т.
Общий вид расстановки оборудования на газотурбовозе Джене-
рал-Электрик и Алко № 51 приведен на рис. 38.
Газотурбовоз, помимо основного оборудования, имеет еще це-
лый ряд вспомогательных агрегатов: элементы схемы регулирова-
ния с топливным и масляными насосами, баки с жидким топливом
и маслом, воздушные маслоохладители, пусковой дизель с генера-
тором, аккумуляторная батарея, водяной котел для отопления и
43
разогрева мазута, высоковольтная камера электрической передачи.
Кроме того, газотурбовоз, как и всякий локомотив, снабжен тор-
мозной системой, причем тормозной компрессор приводится в дей-
ствие от электромотора.
С назначением отдельных вспомогательных устройств мы позна-
комимся ниже при рассмотрении особенностей работы газотурбо-
воза.
Локомотив должен быть простым и удобным в эксплуатации,
поэтому большинство построенных и проектных газотурбовозов
осуществляется по простейшей схеме газотурбинной установки без
Рис. 37. Кабина машиниста
газотурбовоза
использования тепла уходящих
из турбины газов.
Силовая установка газотур-
бовоза состоит из следующих
основных элементов: газовой
турбины, воздушного компрессо-
ра, камеры сгорания жидкого
топлива и, наконец, передачи.
Газовая турбина и воздуш-
ный компрессор газотурбовозов
могут выполняться самой разно-
образной конструкции: по типу,
по числу ступеней, по числу
оборотов и т. д.
Однако необходимо, чтобы
газотурбинная установка могла
выдавать ту мощность, на которую построен газотурбовоз, и, кроме
того, турбина и компрессор должны иметь по возможности наи-
более высокие коэффициенты полезного действия.
Газовая турбина должна не только отдавать мощность локомо-
тиву, но и еще вращать компрессор, а эта часть мощности очень
велика и достигает 70%. Например, для газотурбовозов мощно-
стью 3 000 л. с. полная мощность турбины достигает 11 000 л. с.,
однако компрессор забирает из них около 7 000 л. с. и 1 000 л. с.
расходуется еще на различные служебные нужды и потери при пе-
редаче к колесам.
Выбор мощности и типа газовой турбины и компрессора опре-
деляется не только мощностью газотурбовозов, но и температурой
газов перед лопатками турбины. Как мы уже ранее говорили, тем-
пературу газа перед турбиной приходится выбирать из условия
надежной и долговечной работы ее лопаток. Однако, если выбрана
температура газа, то этого оказывается еще недостаточным для
того, чтобы спроектировать газотурбинную установку, — нужно
еще выбрать величину давления газа. Вспомним, что тепловой пере-
пад газа, который может быть использован в турбине, зависит и от
температуры газа и от его давления. Чем выше давление газа, при
данной температуре, тем больше может быть получена и работа
расширения. Но для того чтобы получить сжатый газ, нужно до
44
Рис. 38. Общий вид расположения оборудования на газотурбовозе № 51:
/—компрессор; 2 — турбина; я — вспомогательный дизель; 4 — топливо; 5—редуктор; б—воздушный тормозной компрессор;
7 —выхлоп; б—четыре тяговых генератора; 9 —котел поездного отопления; 10 — воздушные фильтры
этого давления (и даже несколько большего) сжать воздух в ком-
прессоре и чем больше должно быть давление сжатого воздуха,
тем большую мощность должна затратить турбина на вращение
компрессора. Это значит, что нельзя произвольно выбирать вели-
чину давления газа перед турбиной, т. е. степень повышения давле-
ния в компрессоре, иначе можно получить очень неэкономичную
газотурбинную установку. Оказывается, что каждому значению
температуры газов перед турбиной соответствует определенная,
наивыгоднейшая (по значению коэффициента полезного действия
газотурбинной установки) степень повышения давления в компрес-
соре. Так, например, при температуре газа перед турбиной 725° С
степень повышения давления в компрессоре должна быть равна 6,
т. е. компрессор должен сжимать воздух примерно до 6 атм.
Рис. 39. Общий вид локомотивной газотурбинной установки
В газотурбовозах стараются не делать турбину и компрессор
с очень большим числом ступеней, так как это затрудняет их работу
при переменных числах оборотов. Обычно локомотивная газовая
турбина имеет от 2 до 6 реактивных ступеней, а компрессор выпол-
няется 10—15-ступенчатым. Общий вид локомотивной газотурбин-
ной установки виден из рис. 39.
Компрессор газотурбовоза всасывает и сжимает огромное ко-
личество воздуха — до 100 т в час и более, и для нормальной его
работы необходимо очень тщательно очищать воздух перед поступ-
лением его на вращающиеся рабочие лопатки. Поэтому в газотур-
бовозе на всасывающем патрубке компрессора устанавливается
сетка и, кроме того, в стенках кузова устанавливаются специаль-
ные фильтры. На газотурбовозах Дженерал-Электрик и Алко
(см. рис. 35) фильтры помещены в верхней части боковых стенок
у крыши, что предохраняет от попадания в воздух пыли, подни-
мающейся с верхнего строения пути; на газотурбовозе Метрополи-
тен-Виккерс (см. рис. 36) фильтры установлены в средней части
боковых стенок кузова.
Одним из весьма ответственных элементов газотурбовоза яв-
ляется камера сгорания жидкого топлива.
46
Камера представляет собой двойную цилиндрическую трубу
(рис. 40). Наружная труба называется кожухом камеры, внутрен-
няя — пламенной (жаровой) трубой, так как она окружает пламя
горящего топлива.
Камеры сгорания газотурбовозов имеют сравнительно неболь-
шие размеры, однако в них выделяется при сгорании топлива огром-
ное количество тепла. Поэтому в их конструкции особое внимание
уделяется способу подвода воздуха и жидкого топлива.
Газовый поток при входе в турбину и, следовательно, на вы-
ходе из камеры сгорания должен иметь температуру около 600—
750° С. Вместе с тем в зоне сгорания топлива температура должна
быть значительно более высокой (до 1600—1800° С) для того, чтобы
Рис. 40. Камера сгорания жидкого топлива
горение топлива протекало быстро и полно. Таким образом, при
сжигании жидкого топлива в камерах сгораниях необходимо,
с одной стороны, подводить воздух в зону горения топлива и,
с другой стороны, снижать температуру газов до необходимой тем-
пературы перед турбиной. Соответственно этому поток воздуха из
компрессора в камере сгорания разделяется на две части: меньшая
часть подается непосредственно к горящему факелу (см. рис. 40),
остальной же воздух используется для охлаждения стенок камеры
и постепенно подмешивается к продуктам сгорания, охлаждая их.
Воздух, поступающий в зону воспламенения и горения топлива,
или, как называют, первичный воздух, входит в пламенную трубу
через специальный направляющий аппарат — регистр, располо-
женный в днище трубы. Регистры могут выполняться самой разно-
образной формы и конструкции (рис. 41), основной же задачей их
является завихривание воздушного потока для наилучшего его
перемешивания с топливом.
Остальной воздух (вторичный) проходит между кожухом ка-
меры и пламенной трубой, охлаждает эту трубу и через щели в ней
поступает на смешение с продуктами сгорания.
47
В камерах сгорания жидкого топлива в зону горения подво-
дится очень небольшое количество воздуха, примерно 15—20%
всего воздуха, проходящего камеру; основное количество воздуха
идет на охлаждение продуктов сгорания. Для того чтобы топливо
сгорело полностью, нужно на каждый килограмм топлива подво-
дить около 10—15 кг воздуха. В камерах же газотурбовозов оказы-
вается, что на каждый килограмм сожженного топлива приходится
свыше 70—80 кг воздуха, т. е. собственно продуктов сгорания топ-
лива в воздухе содержится очень малое количество. Поэтому часто
говорят, что в газовую турбину поступают не газы, а нагретый
воздух. Несмотря на охлаждающее действие сравнительно холодного
Рис. 41. Регистр (завихритель)
воздуха, поступающего в камеру из
компрессора (200—250° С), пламен-
ная труба находится в очень тяжелых
температурных условиях (температура
ее стенок достигает 800—900 и более
градусов) и поэтому она изготовляет-
ся из специальной жароупорной и
химически стойкой стали.
На рис. 42 приведена камера сго-
рания жидкого топлива газотурбовоза
фирмы Броун-Бовери. Характерной
особенностью этой конструкции яв-
ляется применение промежуточной
дополнительной трубы, охлаждаемой
воздухом, для уменьшения темпера-
туры наружного кожуха.
Подобные промежуточные трубы могут выполняться волнистой
формы (см. рис. 42).
Подача жидкого топлива в камеру сгорания производится топ-
ливными насосами и форсунками, устанавливаемьми непосред-
ственно в камере сгорания (см. рис. 40). Топливо сжимается насосом
до давления 50—100 атм и поступает к форсункам, из которых
в виде распыленной струи вводится в зону горения камеры.
В газотурбинных установках применяются два типа топливных
насосов—шестеренчатые и плунжерные.
Шестеренчатые топливные насосы (рис. 43) достаточно просты,
малогабаритны, однако имеют ряд эксплуатационных недостатков
(уменьшение давления при износах и увеличении зазора между
шестернями и корпусом, трудность изменения производитель-
ности).
В плунжерных насосах подача топлива осуществляется за счет
поступательного движения плунжеров. Плунжерные насосы могут
работать с переменной производительностью, однако в этом случае
конструкция их получается более сложной, чем в шестеренчатых
насосах.
Форсунки локомотивных камер сгорания обычно выполняются
игольчатого типа (рис. 44). В некоторых конструкциях они выпол-
48
няются с двумя отверстиями: одно для пуска турбины и работы
на холостом ходу и другое для работы под нагрузкой. Для перво*
начального воспламенения топлива камера сгорания оборудуется
электрическими запальными свечами.
Жидкое топливо, как известно, преимущественно вырабаты-
вается из нефти, причем переработка сырой нефти дает самые разно-
образные сорта жидкого топлива.
При перегонке и очистке нефти
первым выходом получается вы-
сококачественный авиационный
и автомобильный бензин. Это то-
пливо обладает весьма легкой
воспламеняемостью и большой
текучестью. Последующим, более
тяжелым выходом из нефти яв-
ляется дизельное топливо,сжи-
гаемое, например, в тепловозах.
Наконец, одним из последних
выходов при переработке нефти
являются мазуты, обладающие
плохой воспламеняемостью, боль-
шой вязкостью и содержащие
различные медленно сгорающие
и даже негорючие примеси.
Сорт жидкого топлива, кото-
рое можно сжечь в тепловом дви-
гателе, определяется характером
работы этого двигателя. Оказы-
вается, что одним из решающих
условий в этом отношении яв-
ляется то время, которое отво-
дится в процессе работы двига-
теля на воспламенение и сгора-
ние топлива. Чем меньше вре-
мени имеется для сгорания, тем
более легкое, быстро воспламе-
няющееся топливо можно сжечь,
и, наоборот, чем больше это вре-
мя, тем более тяжелое топ-
Рис. 42. Камера сгорания жидкого
топлива газотурбовоза фирмы
Броун-Бовери:
/ — форсунка; 2 — регистр; пламенная
труба; 4—кожух; 5 —смеситель; 6 — про-
межуточный экран; 7—волнистый экран
либо оказывается возможным сжигать в тепловом двигателе. Вот
почему в быстроходных двигателях внутреннего сгорания — авиа-
ционных, автомобильных, где время сгорания топлива чрезвычайно
мало, применяется легкий и высококачественный бензин; в тихо-
ходных двигателях (тепловозных, тракторных и т. д.), где это время
значительно больше, оказывается возможным сжигать уже более
низкокачественное соляровое масло.
Газовая турбина, конечно, наиболее быстроходный двигатель.
Однако в газотурбинных установках сжигание топлива вынесено
4 Зак. 1098
49
в отдельную камеру, и поэтому условия сгорания несколько
иные.
В поршневых двигателях сгорание топлива происходит лишь
в течение некоторой доли хода поршня, и чем быстрее движется
поршень, тем меньше время сгорания. В газотурбинных установках
сгорание в камерах происходит непрерывно и не зависит от скоро-
сти вращения турбины. Время, в течение которого жидкое топли-
во успевает сгорать в камере, примерно в 20 раз больше, чем, на-
пример,	"
возах в
ляровое
Рис. 43. Схема шестеренчатого насоса
в цилиндрах дизелей тепловозов. Вот почему в газотурбо-
качестве топлива используется не высококачественное со-
масло, как это имеет место в тепловозах, а более дешевый
низкосортный мазут.
Мазуты обладают вы-
сокой вязкостью, осо-
бенно при низких тем-
пературах, а чем более
вязким является топли-
во, тем труднее его по-
дать топливным насосом,
распылить в форсунках
и хорошо перемешать с
воздухом. Поэтому пе-
ред сжиганием мазут
приходится подогревать
до 100—120°С.
Подогрев мазута мо-
жет осуществляться за
счет тепла отходящих из турбины газов, но это небезопасно в по-
жарном отношении. Более надежно мазут разогревается паром
или горячей водой, проходящими по специальным змеевикам; для
приготовления пара, идущего как на разогрев топлива, так и на
отопительные цели, на газотурбовозах устанавливаются неболь-
шие водяные котлы.
Несмотря на предварительный подогрев, зажечь мазут в на-
чальный момент запуска установки оказывается трудным. Поэтому
при запуске обычно используют вначале более легкое дизельное
топливо и зажигают его от электрической свечи.
От того, насколько полно сгорает топливо в камерах, зависит
не только коэффициент полезного действия газотурбовоза, но и
нормальная работа лопаток турбины. Недожог топлива в значи-
тельной степени определяется распыленностью топлива и тем, на-
сколько оно тщательно перемешивается с воздухом. Такие условия
оказывается трудным осуществить в камерах больших объемов,
поэтому в локомотивных установках обычно делают несколько
(6—8) параллельно включенных камер сгорания.
В современных камерах сгорания жидкого топлива общие по-
тери тепла от неполноты сгорания топлива и теплообмена наруж-
ной поверхности камеры с окружающей средой составляют около 3%.
50
Следует иметь в виду, что создание камер сгорания очень малых
размеров затрудняется тем, что при пропуске через малые камеры
больших объемов воздуха резко увеличиваются потери давления
сжатого воздуха, а этим уменьшается давление газов перед турби-
ной и, следовательно, уменьшается полезная работа турбины.
Газотурбинная установка локомотива работает следующим обра-
зом: компрессор всасывает атмосферный воздух, сжимает его до
5—6 атм и направляет в камеру сгорания. Здесь в воздух впрыски-
вается жидкое топливо, которое сгорает и нагревает воздух до тем-
пературы 700—750°С; воздух вместе с продуктами сгорания посту-
пает на лопатки турбины, вращает ротор турбины, т. е. совершает
работу. Часть мощности турбины расходуется на вращение ком-
прессора и на различные потери, однако часть мощности (около 30%)
оказывается свободной и может
быть полезно использована.
Именно эту мощность и нужно
передать к колесам локомотива,
использовать ее для ведения
поезда.
Почему же в газотурбовозах
необходимо устанавливать пере-
дачу, нельзя ли просто соеди-
нить газовую турбину с колесами
локомотива?
Прежде всего, как мы уже зна-
ем, для того чтобы газовая турби-
Топливо от насоса
Рис. 44. Топливная форсунка
на имела высокий коэффициент полезного действия, нужно, чтобы она
работала при очень высоких числах оборотов (7 000—10 000 об/мин),
в то время как число оборотов движущих колес локомотива даже
при скоростях 100 км/ч не превышает 500 об/мин. Таким образом,
необходимо значительно уменьшить число оборотов при переходе
от вала турбины к колесам.
Известно, что газотурбовоз как локомотив железнодорож-
ного транспорта должен развивать мощность соответственно веде-
нию поезда по переменному профилю пути. Это значит, что газо-
турбовоз должен развивать большую силу тяги при трогании соста-
ва с места и малых скоростях движения и малую силу тяги при
больших скоростях. Но может ли газовая турбина с сидящим на
ее валу компрессором стронуть с места состав, если она непосред-
ственно соединена с колесами локомотива? Очевидно, нет. Ведь
газовая турбина в этот момент должна иметь очень малые числа
оборотов, и такие же числа оборотов будет иметь и компрессор.
Следовательно, количество воздуха, которое будет подавать ком-
прессор, окажется ничтожным, и турбина не разовьет никакой
мощности.
Компрессор при малых оборотах не обеспечивает турбину сжа-
тым воздухом. Поэтому для запуска газотурбинной установки не-
обходим посторонний двигатель, который сможет раскрутить вал
4*
51
компрессора и турбины до сравнительно больших оборотов
(3 000—3 200 об!мин). Тогда турбина получает достаточное коли-
чество воздуха для того, чтобы развивать мощность, необходи-
мую для работы установки на холостом ходу. В это время газо-
турбинная установка должна быть отсоединена от ведущих колес.
Задачу разъединения и соединения газотурбинной установки с ко-
лесами выполняет передача газотурбовоза.
Наконец, газотурбовоз должен иметь задний ход, однако газо-
турбинная установка при работе может вращаться только в одном
направлении. Таким образом, передача в газотурбовозе должна
решать и эту задачу.
Передача между валом турбины и колесами газотурбовоза мо-
жет быть механической, гидромеханической и электрической.
Механическая передача осуществляется в виде коробки скоро-
стей с зубчатыми колесами, причем в некоторых конструкциях
вращение в обратном направлении достигается включением холо-
стой шестерни. Зубчатая передача дает возможность значительно
сократить общий вес установки и, кроме того, имеет более высокий
коэффициент полезного действия сравнительно с другими видами
передач. Однако в условиях газотурбовозов, т. е. при больших мощ-
ностях и больших соотношениях между числом оборотов турбины
и движущих колес, зубчатая передача получается довольно слож-
ной и недостаточно надежной в эксплуатации. Поэтому она не по-
лучила пока что распространения на мощных газотурбинных локо-
мотивах.
Гидромеханическая передача представляет собой последова-
тельное соединение зубчатой и гидравлической (гидравлические
преобразователи скорости вращения и муфты) передач. Несмотря
на то, что гидромеханическая передача имеет малый вес, сравни-
тельно проста и обеспечивает гибкое управление локомотивом, она
еще не получила распространения главным образом из-за отсутст-
вия достаточно совершенной конструкции для больших мощностей.
В настоящее время в газотурбовозах, как и в тепловозах, пред-
почтение отдается электрической передаче постоянного тока.
Электрическая передача газотурбовозов обычно состоит из
трех главных генераторов постоянного тока, питающих электро-
энергией тяговые электродвигатели. Последние располагаются не-
посредственно у движущих колес и передают им вращение с по-
мощью зубчатой передачи. Так как число оборотов генераторов по-
стоянного тока составляет 1 600— 1800 об!мин, то оказывается не-
обходимым между валом турбины и валами генераторов устанавли-
вать зубчатый редуктор, понижающий число оборотов. Таким обра-
зом, электрическая передача постоянного тока, строго говоря, яв-
ляется электромеханической передачей, однако в этом случае зуб-
чатые редукторы получаются значительно более простыми, чем
при чисто механической передаче. Схема силовой установки газо-
турбовоза с камерой сгорания жидкого топлива (без регенерации
тепла) и электрической передачей приведена на рис. 45.
52
В некоторых конструкциях газотурбовозов зубчатый редуктор
передает вращение с вала турбины на два вала генераторов. На од-
ном валу располагаются два главных генератора, на другом —
третий генератор совместно со вспомогательным генератором и воз-
будителем (рис. 46). Тяговые моторы монтируются, так же как и
в тепловозах и электровозах, на тележках движущих осей локо-
мотива (рис. 47 и 48).
Электрическая передача дает возможность достаточно гибко
регулировать мощность локомотива и надежна в эксплуатации.
Рис. 45. Схема силовой установки газотурбовоза
Вместе с тем она имеет и существенные недостатки. Прежде
всего, электрическая передача имеет коэффициент полезного дей-
ствия с учетом редуктора только 0,82—0,85, т. е. свыше 15% сво-
бодной мощности на валу турбины теряется при передаче ее к дви-
жущим колесам. Кроме того, электрическая передача постоянного
тока имеет большой вес, что значительно влияет на общий вес газо-
турбовоза. Поэтому в настоящее время много внимания уделяется
разработке надежных конструкций механической, гидро-механи-
ческой передач, а также электрической передачи переменного тока.
Газовая турбина, так же как и двигатель внутреннего сгорания,
требует для запуска предварительной раскрутки от какого-либо
внешнего источника. На газотурбовозах для этого устанавливаются
аккумуляторная батарея и дизель (мощностью 150—200 л. с.)
с электрогенератором. В момент запуска генератор дизеля вклю-
чается в цепь аккумуляторной батареи, чем обеспечивается пуск
в ход дизеля. Далее, при работе дизеля, его генератор питает током
один из главных генераторов газотурбовоза. Последний работает
как электромотор, раскручивая турбину и компрессор. Затем вклю-
53
чается подача топлива в камеру сгорания. Газотурбинная установка
раскручивается до такого числа оборотов, при котором мощность
газовой турбины становится несколько большей мощности, потреб-
ляемой компрессором, и таким образом вся установка может
самостоятельно работать (так называемый «холостой режим») с по-
следующим переходом на рабочие нагрузки.
В условиях эксплуатации газотурбовозов полная остановка
газовой турбины осуществляется лишь при стоянках локомотива
свыше 30 мин. Это происходит потому, что запуск газотурбинной
установки требует определенного времени на ее разогрев и раскру-
Рис. 46. Схема расположения
электрогенераторов
чивание, на поднятие давления смазки в подшипниках, в системе
регулирования и т. п. Кроме того, частые остановки и запуски
турбины и компрессора могут
отрицательно сказаться на со-
стоянии их вращающихся де-
талей. Однако, на холостом
ходу и при малых нагрузках
газотурбинная установка ра-
ботает очень неэкономично,
что сказывается на общем
коэффициенте полезного дей-
ствия газотурбовоза. Вот по-
чему обычно на газотурбово-
зах вспомогательный дизель
и его генератор используются
не только для запуска уста-
новки, но и при маневрах и
даже при резервном пробеге
локомотива. Тогда при остановленной турбине ток от генератора
дизеля направляется на два тяговых электродвигателя, и газотур-
бовоз может двигаться без вагонов по железнодорожным путям.
Когда газотурбовоз ведет поезд, то ему приходится работать
ври резко переменных нагрузках. При следовании по подъему
сопротивление движению поезда увеличивается, на уклоне наблю-
дается обратная картина. Ведение поезда по переменному про-
филю пути можно осуществить при постоянной и переменной
мощности локомотива. Наиболее экономичным является режим
постоянной мощности, соответствующей минимальному удельному
расходу топлива, однако при этом изменяется скорость движения
на различных участках пути. В ряде случаев, например, для
поддержания заданной скорости, необходимо изменять мощность
локомотива и, совершенно очевидно, что таксе регулирование
мощности должно осуществляться наивыгоднейшим способом. Это
требование относится не только к газотурбовозу, но и к паровозу»
тепловозу, электровозу, т. е. к любому локомотиву.
Помимо этого, общего для всех локомотивов требования, для
нормальной эксплуатации газовой турбины необходимо выдержать
еще ряд особых требований. Прежде всего, совершенно недопусти-
54
мым является даже кратковременное повышение температуры газа
перед турбиной, которое может возникнуть, если при снижении
числа оборотов турбокомпрессора и уменьшении расхода воздуха
остается неизменной подача топлива в камеру сгорания. Такое по-
вышение температуры может привести к разрушению лопаток тур-
бины, поэтому должна быть предусмотрена соответствующая си-
стема ограничения этой температуры, или, как говорят, система
защиты. Столь же недопустимым являются значительное повыше-
ние чисел оборотов турбины и компрессора, резкое снижение
Рис. 47. Общий вид тягового электродвигателя газотурбовоза
с зубчатым редуктором
давления масла в системе смазки подшипников, возникновение явле-
ний помпажа компрессора и т. п. Все отмеченные требования вы-
полняются на газотурбовозах с помощью специальной системы
регулирования и защиты.
Регулирование мощности газотурбинных установок может
осуществляться следующими основными способами:
1)	изменением температуры газа перед турбиной при неизмен-
ном числе оборотов газотурбинной установки;
2)	изменением числа оборотов установки при неизменной тем-
пературе газа перед турбиной;
3)	одновременным изменением и температуры газа и числа
оборотов.
Наиболее экономичным методом регулирования мощности ло-
комотивной газотурбинной установки является изменение чисел
оборотов при одновременном изменении температуры газов перед
турбиной. Программа регулирования в газотурбовозах выбирается
таким образом, чтобы обеспечить возможно больший коэффициент
55
полезного действия установки на частичных нагрузках. Однако
регулирование не всегда удается осуществить наивыгоднейшим
из-за резкого падения коэффициентов полезного действия компрес-
сора и турбины при снижении их числа оборотов.
Режим холостого хода газотурбовоза определяется главным
образом возможностью снижения числа оборотов турбины и ком-
прессора, при котором компрессор сможет обеспечить воздухом
работу турбины без рабочей нагрузки. Низшее число оборотов хо-
лостого хода составляет около 50% наибольшего числа оборотов,
что приводит к очень высокому расходу топлива на холостом ходу
локомотива (20—25% расхода при полной нагрузке).
Рис. 48. Ведущая ось газотурбовоза
Другим основным требованием, предъявляемым к системе регу-
лирования газотурбовоза, является наиболее полное использова-
ние мощности турбины. Это достигается регулированием мощности
электрогенераторов (регулированием их возбуждения), соединяе-
мых редуктором с турбиной. Обычно регулирование газотурбинной
установки и электрогенераторов осуществляется от одного центро-
бежного регулятора числа оборотов через специальную
масляную систему.
Схема регулирования газотурбовоза приведена на рис. 49.
Основными элементами схемы масляного регулирования являются:
центробежный регулятор 7 с золотниковым механизмом, главный
сервомотор 12, топливный сервомотор 21, пульт управления 11,
главный 8 и вспомогательный 9 масляные насосы, насос жидкого
топлива 6.
Рассмотрим особенности регулирования газотурбовоза при за-
пуске, холостом ходе газотурбинной установки, при трогании газо-
турбовоза с места и управлении газотурбовозом при ведении поезда.
Запуск газотурбинной установки, как уже отмечалось, осуще-
ствляется с помощью вспомогательного дизеля, который пускается
56
в ход от аккумуляторной батареи. Одновременно с запуском ди-
зеля включается в работу вспомогательный масляный насос 9,
который наполняет маслом систему регулирования и смазки и
поднимает до определенного уровня давление в этих системах. По
достижении газотурбинной установкой низших оборотов холостого
хода вспомогательный масляный насос отключается и далее систему
регулирования и смазки обслуживает главный масляный насос 8,
сидящий на одном валу с турбиной 1 и компрессором 2.
После запуска газотурбинная установка работает на самых
низких числах оборотов и с минимальным расходом топлива. Од-
нако для того чтобы взять с места состав, газотурбовоз должен раз-
вить очень большую силу тяги, т. е. газотурбинная установка
к этому моменту должна иметь возможность обеспечить большую
Рис. 49. Схема регулирования газотурбовоза
мощность. Это достигается увеличением числа оборотов холостого
хода, а в момент трогания, кроме того, увеличивается возбуждение
генератора, обеспечивающее плавное повышение мощности.
Изменение чисел оборотов холостого хода осуществляется ма-
шинистом с помощью рукоятки холостого хода 13, помещенной
на пульте управления И. При повороте крана, соединенного с этой
рукояткой, увеличивается давление масла в трубопроводе 25 и над
поршнем 22; при опускании поршня 22 поднимается поршень 23
золотника центробежного регулятора 7, увеличивая этим самым
слив смазки из области над золотником и из трубопровода 26.
Снижение давления в полости перед поршнем 16 золотника главного
сервомотора приводит к тому, что золотник, перемещаясь вправо,
открывает правое окно поворотного сервомотора 19, который,
поворачиваясь влево, увеличивает до предела сопротивление в цепи
57
возбуждения генератора (рис. 50), т. е. полностью освобождает
генератор от нагрузки. Переместившийся вместе с главным золот-
ником поршень 18 (см. рис. 49), соединяет трубопровод 27, веду-
щий к поршню 20 топливного сервомотора, с трубопроводом 28',
давление в трубопроводе 27 повышается, поршень 20 поднимается
вверх и с помощью рычажной передачи поднимает золотник 21 ре-
гулятора подачи топлива; в результате этого увеличивается подача
топлива в камеру сгорания 3. Увеличение подачи топлива при
отсутствии нагрузки приводит к увеличению числа оборотов холо-
стого хода газотурбинной установки.
При трогании состава с места машинисту нужно дать на-
грузку на генераторы 4, т. е. уменьшить сопротивление в цепи их
возбуждения. Это выполняется с помощью главного штурвала 14
Рис. 50. Схема сопротивления в цепи возбуждения генератора
пульта управления. При подъеме клапанов, связанных с главным
штурвалом, повышается давление масла в трубопроводах 25 и 27.
Дальнейшее повышение давления в трубопроводе 25, однако, не
приводит к увеличению слива масла из области над золотником 24,
так как ход поршней 22 и 23 ограничен.
Повышение же давления в трубопроводе 27 и, следовательно,
под поршнем 20 приведет к увеличению подачи топлива в камеру
сгорания и к некоторому повышению числа оборотов турбины.
Как только число оборотов превышает допустимое, центробежный
регулятор 7 поднимает золотник 24, уменьшая слив масла из тру-
бопровода 26. Давление в последнем повышается, и это вынуждает
золотник главного сервомотора 17 сдвинуться влево, уменьшая со-
противление в цепи возбуждения. Одновременно с этим снизятся
подача топлива и число оборотов установки. Таким путем машинист
58
имеет возможность плавно увеличить мощность локомотива. Снятие
нагрузки производится в обратном порядке.
При ведении состава по переменному профилю постоянно изме-
няется нагрузка на локомотив. При уменьшении внешней нагрузки
(например газотурбовоз с составом перешел на более легкий участок
пути) число оборотов газотурбинной установки несколько возрастет.
Это приведет сразу же к тому, что центробежный регулятор 7 под-
нимет золотник 24, уменьшая слив масла из трубопровода 26.
Повышение давления масла в этом трубопроводе приведет к пере-
мещению влево золотников 16 и 17 и вправо поворотного серво-
мотора 19, что уменьшит сопротивление в цепи возбуждения. Одно-
временно с этим трубопровод 27 соединится сервомотором 18 со
сливом, что приведет к опусканию поршней 20 и 21 и уменьшению
подачи топлива в камеру сгорания. При увеличении внешней на-
грузки на локомотив процесс регулирования осуществляется в об-
ратном порядке.
Как уже отмечалось, в системе регулирования газотурбовоза
предусматриваются приборы защиты газотурбинной установки
от опасных режимов работы. Для предупреждения опасного повы-
шения числа оборотов турбины и компрессора между компрессором
и камерой сгорания устанавливается специальный клапан, авто-
матически выпускающий сжатый воздух наружу и уменьшающий
тем самым мощность турбины. Для предупреждения повышения
температуры газов перед турбиной свыше допускаемой устанавли-
вается специальный регулятор, останавливающий в этих случаях
топливный насос.
Как видно из рис. 49, масляная система регулирования газо-
турбовоза выполнена совместно с системой смазки подшипников
газовой турбины и компрессора. В подшипниках турбины и комп-
рессора масло довольно сильно нагревается, поэтому перед тем
как вновь нагнетать в систему, его необходимо охлаждать. Для этой
цели на напорной линии за главным масляным насосом 8 устанав-
ливается трубчатый холодильник 10. Нагретое масло проходит по
трубкам холодильника и через стенки трубок отдает тепло воз-
духу, обдувающему эти трубки; воздух прогоняется через холо-
дильник специальным вентилятором.
Таким образом, система регулирования в газотурбовозах авто-
матически поддерживает постоянство мощности газотурбинной
установки при ведении поезда по переменному профилю пути, и
вмешательство машиниста необходимо лишь в случаях остановки
локомотива или вынужденного снижения скорости.
Мы рассмотрели основные особенности устройства и работы га-
зотурбовозов, в которых жидкое топливо сжигается в камерах сго-
рания. Газотурбовозы достаточно просты и удобны в эксплуатации,
однако этого оказывается недостаточно, так как нужно, чтобы ло-
комотивы были еще экономичными. Какой же коэффициент полез-
ного действия этих простейших типов газотурбовозов и от чего он
зависит?
59-
Ранее мы уже говорили о тех потерях мощности, которые имеют-
ся на пути от газовой турбины до колес локомотива. Большая часть
мощности (до 70%) отдается на вращение компрессора, около 3%
идет на собственные служебные нужды установки — вращение на-
сосов, вентиляторов и т. п. Коэффициент полезного действия га-
зотурбинной установки есть отношение эффективной мощности
(мощность турбины минус мощность компрессора и служебные
расходы) к подведенному с топливом теплу. При температуре
газов перед турбиной 700—750°С к. п. д. газотурбинной установки
составляет 20—22%; с увеличением температуры газов коэффи-
циент полезного действия газотурбинного двигателя резко возра-
стает. Например, при температуре газов 1000°С этот к. п. д. превы-
шает 30%. Расходы на служебные нужды газотурбовозов как ло-
комотива (тормозной компрессор, сигналы и т. п.) невелики и не
превышают 2—3%.
Значит, если бы можно было непосредственно передать мощ-
ность от турбины к колесам, то к. п. д. газотурбовоза, даже при
температуре газа 700—750°С, которую сейчас выдерживает металл
лопаток, был бы достаточно высоким —около 19—20%. Однако
в электрической передаче возникают дополнительные потери. Бо-
лее 15% мощности теряется в генераторе, моторах и зубчатых пе-
редачах, и поэтому к. п. д. газотурбовоза снижается до 16 — 17%.
Если газотурбовоз несколько усложнить, установив регенера-
тор, в котором использовать тепло уходящих из турбины газов,
то к. п.д. такого локомотива увеличится на 1,0—2,0%, т. е. со-
ставит 17—18%. Однако при эксплуатации регенератор быстро за-
грязняется и польза от его применения уменьшается. Поэтому,
например, наши отечественные и иностранные газотурбовозы в на-
стоящее время проектируются без регенераторов.
Коэффициент полезного действия газотурбовоза существенно
различается зимой и летом. В первой главе этой книги было по-
казано, как влияет температура наружного воздуха на работу газо-
турбинной установки. Чем холоднее воздух, тем легче его сжать,
и мощность, потребляемая компрессором, уменьшается, а следо-
вательно, увеличивается полезная работа турбины. Поэтому зимой
к. п. д. газотурбовоза выше, чем летом, примерно на 2%.
В условиях эксплуатации коэффициент полезного действия
газотурбовоза оказывается несколько ниже расчетного. Это объяс-
няется прежде всего тем, что при снижении мощности газотурбин-
ная установка начинает работать менее экономично. Кроме того,
сказывается также и наличие холостого хода газотурбовоза, при ко-
тором газотурбинная установка расходует топливо с очень низким
коэффициентом полезного действия. В связи с этим газотурбовоз
наиболее целесообразно использовать для вождения тяжеловесных
маршрутов, когда он работает на полной мощности без холостого
хода и промежуточных стоянок.
В настоящее время за границей имеется около 30 газотурбовозов
с сжиганием жидкого топлива в камерах сгорания.
€0
Первый газотурбовоз на жидком топливе был построен в 1941 г.
по заказу швейцарских железных дорог известной швейцарской
фирмой Броун-Бовери. Он был выполнен с мощностью газотурбин-
ной установки 2 200 л. с. с электрической передачей. Температура
газов перед турбиной у этого газотурбовоза только 600° С, поэтому
несмотря на наличие регенератора, его расчетный коэффициент по-
лезного действия был даже несколько меньше 14%. После продол-
жительных испытаний газотурбовоз был передан на железную до-
рогу для нормальной эксплуатации.
В 1949 г. та же фирма Броун-Бовери построила второй газотурбо-
воз № 18000 с мощностью газотурбинной установки 2 500 л. с., но
уже по заказу английских железных дорог. Этот локомотив почти
полностью повторял своего предшественника — газотурбовоз
№ 1101.
В 1950 г. английская фирма Метрополитен-Виккерс построила
газотурбовоз № 18100 с мощностью установки 3 000 л. с. В этой
конструкции уже отказались от применения регенератора, однако
повысили температуру газов перед турбиной до 700° Сив резуль-
тате коэффициент полезного действия газотурбовоза был поднят
до 15,3%. В 1952 г. газотурбовоз № 18100 был передан в эксплуата-
цию на ту же дорогу, что и газотурбовоз № 18000.
Первый американский газотурбовоз № 50 с установкой мощностью
4 500 л. с. был построен в 1948 г. фирмами Дженерал-Электрик и
Алко. Газотурбовоз был выполнен по простейшей схеме без регене-
ратора и с электрической передачей. После испытаний, в августе
1949 г., он был передан в эксплуатацию.
В 1950 г. один опытный газотурбовоз мощностью 4 000 л. с.
построила также американская фирма Вестингауз, однако после
непродолжительной эксплуатации этот газотурбовоз был ра-
зобран.
В связи с достаточно удовлетворительными показателями ра-
боты газотурбовоза № 50 железная дорога Юнион-Пасифик выдала
фирмам заказ на постройку целой партии газотурбовозов. В 1952 г.
фирмы Дженерал-Электрик и Алко поставили дороге первые 10 га-
зотурбовозов № 51—60, а к концу 1954 г. еще 15 локомотивов. Эти
25 газотурбовозов работают на дороге Юнион-Пасифик до настоя-
щего времени. Интересно отметить, что, если первые опытные газо-
турбовозы (Броун-Бовери, Метрополитен-Виккерс, Вестингауз)
выполнялись с большим числом ступеней турбины и компрессора,
то в американских газотурбовозах массовой постройки (после
эксплуатации первых образцов) перешли на двухступенчатую тур-
бину и число ступеней компрессора снизили до 15.
Газотурбовозы серии № 51 имеют уже большой опыт эксплуа-
тационной работы. Обладая большой мощностью (3 800 л. с.), они
используются для вождения тяжеловесных маршрутов на трудном
участке Шайден—Огден и уже сделали пробег свыше 7 500 000 км.
Газотурбовозы работают параллельно с тепловозами, и поэтому
весьма характерной является сравнительная оценка работы этих
61
видов локомотивов, данная дорогой. Средний эксплуатационный
коэффициент полезного действия газотурбовозов составил всего
лишь 11—12%, т. е. примерно вдвое меньше, чем у тепловозов, од-
нако, по расчетам дороги, эксплуатационные расходы газотурбо-
возов и тепловозов оказались примерно одинаковыми. Это объяс-
няется более низкой стоимостью мазута по сравнению с дизельным
топливом, а также значительно меньшим расходом газотурбовозами
смазочных материалов. Опыт эксплуатации газотурбовозов на
дороге Юнион-Пасифик показал, что эти локомотивы имеют хоро-
шие тяговые характеристики, управление ими даже проще, чем
тепловозами; пробег между наборами топлива превышает 600 км.
Газотурбовозы ввиду непродолжительного срока эксплуатации
еще не проходили капитальный ремонт. Вместе с тем выяснилось,
что наиболее часто сменяемой деталью в газотурбинной установке
является пламенная труба камеры сгорания. По опытным данным
долговечность этих труб не превышает 1 500—2 000 ч. Наблюдалась
также коррозия лопаток турбины, что потребовало предваритель-
ной очистки мазута от примесей ванадия и сульфата натрия.
Положительный результат применения газотурбовозов особенно
ясно виден из того, что дорога Юнион-Пасифик в конце 1955 г.
дала фирмам Дженерал-Электрик и Алко новый заказ на постройку
большой партии газотурбовозов. Дороге будет поставлено 45 газо-
турбовозов, причем мощность их увеличена до 7 000 л. с. (мощ-
ность газотурбинной установки равна 8 500 л. с.). Эти газотурбо-
возы предполагается осуществить в двух секциях и еще с прицеп-
ным тендером для увеличения запаса топлива. Общая длина газо-
турбовоза составит 50,3 м, а вес 408 т\ пробег без набора топлива
достигнет 800 км.
У нас в Советском Союзе газотурбовозов еще нет, однако в на-
стоящее время широко развернуты проектные и конструкторские
работы по созданию этого типа локомотивов. В 1955 г. эскизный
проект газотурбовоза был разработан коллективом Харьковского
завода Министерства транспортного машиностроения (рис. 51).
Газотурбовоз был запроектирован в двух секциях общей мощ-
ностью5280л. с.; газотурбинная установка предусматривала регене-
рацию; температура газов перед турбиной 700° С, поэтому расчет-
ный коэффициент полезного действия газотурбовоза был полу-
чен 17,5%.
В 1955 г. проект газотурбовоза с сжиганием жидкого топлива
в камерах сгорания выполнен Коломенским заводом, а в 1956 г.
лриступлено к изготовлению отдельных узлов локомотива. Газо-
турбовоз выполняется также в двух секциях общей мощностью
5 400 л. с.; газотурбинная установка не имеет регенератора, темпе-
ратура газов перед турбиной — 727° С. Предполагается, что коэф-
фициент полезного действия газотурбовоза на расчетном режиме
составит около 16—17%.
Основные характеристики построенных и проектных газотурбо-
возов приведены в табл. 1.
Рис. 51. Расположение оборудования на газотурбовозе (проект Харьковского завода):
/—компрессор; 2 —турбина; 3 — регенератор; 4— камера сгорания; 5 —редуктор; 6 — генераторы; 7—вспомогательный дизель;
8 — воздушный тормозной компрессор; 9 — масляный холодильник; 10— воздушный фильтр
Таблица 1
Основные характеристики построенных и проектных газотурбовозов
Ха рактеристики	Броун-Бовери № 1101. Швей- цария, 1941 г.	Броун-Бовери № 1 8000. Англия, 194 9 г.	Метрополитен- Виккерс № 18100. Англия, 1952 г.	Вестингауз № 4000. США, 1949 г.	Дженерал-Элек- трик и Алко №51. США, 1952 г.	Харьковский завод (проект). СССР, 1955 г.	Коломенский завод (проект). СССР, 1955 г.
Мощность газотурбин- ной установки в л. с.	2 200	2 500	3 000	2X2000	4 500	2X3220	2X3740
Полный вес локомотива в т		92,1	121,1	131,5	224	250	273,6	278,4
Полная длина локомо- тива в #		16,4	19,2	20,4	23,7	25,5	39,9	39,9
Конструктивная ско- рость в км/ч ....	113	145	145	161	112	100	100
Число оборотов турбины и компрессора в об/мин	5 200	5 300	7 000	8 750	6 900	7 000	8 500
Число ступеней турби- ны 		6	7	5	8	2	5	4
Число ступеней комп- рессора . 			21	20	15	23	15	12	12
Степень повышения дав- ления в компрессоре	4,0	4,0	5,4	4,7	5,8	5	6
Число оборотов генера- тора в об/мин . . .	750	800	1 600	1 150	1 650	1 600	1 800
Температура газов пе- ред турбиной в °C . .	600	600	700	730	700	700	727
Коэффициент регенера- ции тепла 		0,5	0,425	0	0	0	0,5	0
К. п. д. установки . .	16,0	15,8	18,0	16,9	16,0	21,3	20,8
Мощность газотурбово- за в л. с		1 870	2 100	2 500	3 400	3 800	2x2640	2X2700
Газотурбовозы с безвальными поршневыми генераторами газов
Прежде чем перейти к рассмотрению этого типа газотурбовозов,
познакомимся с некоторыми весьма важными особенностями расши-
рения газов в поршневых двигателях внутреннего сгорания и в газо-
вых турбинах.
Двигатели внутреннего сгорания, как известно, имеют высокий
коэффициент полезного действия и получили очень широкое рас-
пространение. Однако в процессе работы двигателя имеются суще-
ственные недостатки. Одним из основных недостатков двигателей
64
внутреннего сгорания, как и других поршневых машин, является
то, что в цилиндрах двигателей нельзя осуществить полного рас-
ширения газа до давления выхлопа. На рис. 52 приведена инди-
каторная диаграмма дизеля; линия 2—3 показывает расширение
газа. Нетрудно видеть, что для того чтобы газ расширился в ци-
линдре до давления Р2, нужно сделать цилиндр очень большого
объема. А это оказывается невыгодным, так как резко возрастут
размеры и вес двигателя и, кро-
ме того, увеличатся потери
тепла газа через стенки цилинд-
ра. Поэтому цилиндры делают
ограниченного объема, но тогда
неизбежны потери энергии (за-
штрихованная площадь 3—4'—
4—3) вследствие того, что газы
полностью не расширились.
Потери энергии от неполного
расширения газа в дизелях весь-
ма значительны и достигают 25—
30%. Почему же все-таки двига-
тели внутреннего сгорания имеют
Рис. 52. Индикаторная диаграмма
дизеля
высокий к. п. д.? Это объясняется
тем, что при сгорании топлива в цилиндре двигателя развиваются
очень высокие давление (60—80 атм) и температура (1500 —
1600° С). А мы помним, что чем
выше давление и температура
газа перед расширением, тем
больше его работа и экономич-
Рис. 53. Расширение газа в турбине
ность двигателя. Цилиндр двига-
теля не боится высоких темпе-
ратур, — он достаточно хорошо
охлаждается водой.
В противоположность порш-
невым двигателям газовая тур-
бина осуществляет полное рас-
ширение газа (рис. 53). Так,
например, если газы из турбины
выбрасываются в атмосферу, то
давление газов в конце расширения (/%) превышает атмосферное
только на величину сопротивления выходного патрубка. Но у тур-
бины имеется другой недостаток: нельзя сильно повышать темпе-
ратуру газов перед лопатками, а поэтому и коэффициент полезного
действия газотурбинной установки ниже, чем дизельной.
Мы видим, что эти два типа двигателей как бы дополняют друг
друга. Вот почему и возникла мысль соединить вместе двигатель
внутреннего сгорания и газовую турбину.
Какими же путями это можно сделать? Наиболее простой путь—
это соединить последовательно двигатель и газовую турбину
(рис. 54) так, чтобы в газовой турбине происходило дальнейшее
5 Зак. 1098
65
расширение газа. Такая установка уже более экономична, чем про-
стей дизель. Больший эффект получается в том случае, если такая
газовая турбина отдает свою мощность не потребителю, а воздуш-
ному компрессору, который сжимает воздух и подает его в цилиндр
двигателя, когда тот всасывает необходимый для сгорания топлива
воздух. Ведь чем больше поступит
в цилиндр воздуха, тем больше
можно сжечь топлива в двигателе,
т. е. больше мощность двигателя.
Таким сбразом нагнетание воздуха
в цилиндр двигателя с помощью га-
зовой турбины и компрессора по-
вышает мощность двигателя. Рас-
смотренный процесс называется
наддувом, и такая комбинация дви-
гателя с газовой турбиной получила
самое широкое распространение
(рис. 55). Например, так работают
тепловозные двигатели. Наддув
дизелей может повысить их мощ-
ность на 60% при увеличении веса
установки менее чем на 5%; расход
при этом снижается на 3—5%.
мощность вырабатывает двигатель
внутреннего сгорания, газовая же турбина является вспомогатель-
ным агрегатом и развивает малую
мощность.
В современных дизелях наддув
с помощью газовой турбины (т. е.
давление сжатого воздуха за ком-
не превышает 2—3 стм.
Если увеличивать это давление, то
очевидно мощность, потребляемая
компрессором, также будет увели-
чиваться. Но компрессор сидит на
одном валу с газовой турбиной и
забирает всю мощность, которую
она вырабатывает. Значит, для
увеличения мощности компрессора
нужно увеличить и мощность тур-
бины. Мощность же газовой турби-
ны в данном случае получается за счёт части энергии газа, кото-
рую недоиспользовал дизель. Следовательно, повышая мощность
турбины, мы должны уменьшить полезную работу газа в двигателе.
Это достигается тем, что повышается конечное давление и темпера-
тура газа при выходе из двигателя, т. е. перед газовой турбиной.
Итак, при увеличении наддува увеличивается мощность турбины
и компрессора, приближаясь по величине к мощности двигателя.
66
ii
Двигатель
внутренне-
го сгорания
Выхлопные
газы
Рис. 54. Схема последовательного
соединения двигателя внутреннего
сгорания и газовой турбины
топлива на единицу мощности
При такой схеме основную
Рис. 55. Схема дизеля с газотур-
бинным наддувом
Расчеты показывают, что если довести давление наддува до 5—
6 атм, то мощность и компрессора и турбины будет примерно рав-
на мощности, развиваемой двигателем. Но тогда, очевидно, можно
поменять роли двигателя и турбины: двигатель заставить работать
на компрессор, а газовую турбину использовать как источник мощ-
ности.
Мы видим, что получается новая схема комбинированной газо-
турбинной установки, сочетающей в себе положительные качества
двигателя внутреннего сгорания и газовой турбины. То, что недо-
ступно для работы газовой турбины, т. е. область высоких тем
ператур, срабатывается в
чивается на работу комп-
рессора; область же низких
давлений и больших объе-
мов газа срабатывается в
газовой турбине, имеющей
здесь все преимущества пе-
ред поршневым двигателем.
Когда турбина работала
на наддув, то сидящий с
ней на одном валу компрес-
сор мог быть или центро-
бежным, или осевым. Но
как только в качестве при-
вода компрессора исполь-
зуется поршневой двига-
тель внутреннего сгорания,
то и компрессор может быть
, и полученная мощность затра-
Рис. 56. Схема газотурбинной установки
с безвальным поршневым генератором газа
поршневым, при этом не потребуется очень сложная передача.
Возникает также вопрос: обязательно ли теперь иметь вал, кри-
вошип, шатун, которые имеет двигатель внутреннего сгорания?
Очевидно, нет. Ведь работу поступательно движущегося поршня
двигателя можно передать поршню компрессора, просто соединив
их друг с другом. Таким образом, мы приходим к новому типу
агрегата — безвальному поршневому генератору газов. Генера-
тором его называют потому, что он вырабатывает сжатый и нагре-
тый газ, идущий далее на лопатки турбины.
Схема газовой турбины с безвальным поршневым генератором
газа приведена на рис. 56.
Мы видим, что газотурбинная установка состоит из трех основ-
ных агрегатов: газовой турбины, безвального поршневого генера-
тора и промежуточного резервуара (ресивера).
Генератор газа устроен следующим образом. В центре машины
расположен цилиндр 1 двухтактного двигателя с форсункой жид-
кого топлива 4 и двумя рядами продувочных окон 5. По обеим сто-
ронам цилиндра расположены два цилиндра компрессора 2, снаб-
женные всасывающими 6, нагнетательными 7 и пусковыми 8 кла-
панами. Один ряд продувочных окон двигателя сообщается с нагне-
5*
67
тательными клапанами компрессора, а другой ряд — с трубопро-
водом, идущим к ресиверу и далее ко входному патрубку газовой
турбины. Генератор имеет два поршня 3, причем каждый из них вы-
полнен двухступенчатым — поршни меньшего диаметра выпол-
няют роль поршней двигателя, а поршни большего диаметра —
роль поршней компрессора.
Теперь рассмотрим, как работает такая газотурбинная уста-
новка.
Для того чтобы пустить в ход любой дизель, нужно обязательно
3 Сжатие
предварительно сжать воз-
дух в его цилиндре. В дан-
ном случае, очевидно, не-
обходимо, чтобы оба порш-
ня сдвинулись навстречу
друг другу, к центру ци-
линдра двигателя. Для этой
цели используется сжатый
воздух из специального ре-
зервуара. При пуске уста-
новки этот сжатый воздух
подается через пусковые
клапаны в крайние полости
компрессорных цилиндров,
заставляет поршни сдви-
гаться и сжимать воздух
во внутренних компрессор-
ных полостях, а затем (ког-
да поршни перекроют про-
дувочные окна)и в цилинд-
ре двигателя. В конце это-
го хода сжатый в компрес-
сорах воздух через клапа-
ны 7 наполняет полость.
окружающую цилиндр
Рис. 57. Принципиальная схема действия двигателя’ воздух В ЦИ-
безвального генератора газа	линдре np^0J]JK£eT сжима.
ться, причем повышается
не только его давление, но и температура. Когда температура воз-
духа превысит величину, при которой жидкое топливо воспламе-
няется, в цилиндр двигателя через форсунку в виде распыленной
струи впрыскивается топливо (рис. 57). Оно воспламеняется и сго-
рает, при этом резко возрастает (до 100—130 атм) давление в ци-
линдре. Начинается рабочий ход двигателя, продукты сгорания
расширяются и заставляют поршни расходиться в разные стороны.
Во внутренних компрессорных полостях открываются всасываю-
щие клапаны и туда устремляется атмосферный воздух. Во внеш-
них полостях происходит сжатие воздуха (пусковые клапаны уже
закрыты), т. е. создаются своеобразные воздушные буфера. Как
68
только поршни двигателя откроют продувочные окна, через левые
продувочные окна в цилиндр устремится сжатый воздух (нахо-
дившийся вокруг цилиндра), смешается с продуктами сгорания,
пройдет через весь цилиндр (продует его) и удалится через правые
продувочные окна в ресивер и затем на лопатки газовой турбины.
Поршни останавливаются в тот момент, когда давление в воздуш-
ных буферах поднимется настолько, что воспрепятствует их даль-
нейшему движению.
Далее, под действием сжатого в буферах воздуха поршни нач-
нут двигаться в обратном направлении, т. е. навстречу друг другу.
Всасывающие клапаны закроются, начнется сжатие воздуха в ком-
прессоре и цилиндре, и цикл повторяется.
Так как смесь воздуха с продуктами сгорания после выхода из
генератора имеет давление около 4—6 атм и температуру 400—
500° С, то этой энергии смеси впол-
не достаточно для того, чтобы тур-
бина развивала значительную мощ-
ность. Кроме того, в данном случае
турбина не затрачивает никакой
мощности на привод компрессора,
т. е. вся ее мощность может быть
полезно использована.
Мы не сказали, для чего служит
ресивер между генератором газов
и турбиной. Дело в том, что гене-
ратор направляет горячие газы в
турбину не непрерывно, а периоди-
чески (примерно 600 выхлопов в
минуту), поэтому давление газа
Рис. 58. Синхронизирующие
механизмы:
а — реечно-шестеренчатый;
б — шатунно-шарнирный
перед турбиной колеблется, что снижает ее экономичность. Уста-
новка промежуточного ресивера несколько сглаживает эти ко-
лебания.
В рассмотренном выше процессе безвального генератора пред-
полагалось, что оба поршня не связаны друг с другом и переме-
щаются свободно под действием давления газов или воздуха. Вооб-
ще говоря, так безвальный генератор газов работать может. Но
ясно, что даже небольшое отклонение в скорости движения одного
из поршней может нарушить весь процесс машины. Нужно, чтобы
оба поршня приходили одновременно в свои крайние положения,
т. е. работали, как говорят, синхронно. Это достигается тем, что
поршни связываются между собой специальным синхронизирующим
механизмом (рис. 58).
Экономичность газотурбинной установки с безвальным порш-
невым генератором газа примерно та же, что и у дизеля с высоким
наддувом (до 40% и более). Действительно, переходя от схемы ди-
зеля к схеме генератора с турбиной, мы ничего принципиально но-
вого не внесли в процесс, а следовательно, не может существенно
измениться и коэффициент полезного действия двигателя. Но тогда
69
возникает вопрос: зачем делать такие установки, не проще ли вы-
пускать дизели с газотурбинным наддувом? Оказывается, что уста-
новка с безвальным генератором газа имеет ряд преимуществ по
сравнению с дизельной.
Прежде всего, система свободных поршней исключает два про-
межуточных механизма с шатунами и коленчатыми валами, что
уменьшает вес установки, а также потери энергии от трения в этих
элементах.
Особенно важным является то, что в безвальных генераторах
со свободными поршнями удается сжигать более тяжелое жидкое
топливо, чем в дизелях. Это происходит вследствие того, что в ге-
нераторах со свободными поршнями осуществляется очень высо-
кий наддув (5—6 атм), высокое сжатие в цилиндре двигателя
(100—130 атм) и температура воздуха при воспламенении топлива
(1600— 1800° С). В обычных дизелях не удается достигнуть таких
значений этих величин, так как это связано с необходимостью при-
менять более прочные поршни, шатуны, кривошипы, коленчатые
валы и т. д. Уже сейчас за границей построена газотурбинная уста-
новка с безвальным генератором (Метлауи, Южный Тунис, мощ-
ность установки 600 кет), которая работает на высококачественном
мазуте.
Сравнительно с газотурбинными установками обычного типа
рассматриваемая схема имеет два основных преимущества: более
высокий коэффициент полезного действия и более низкую темпе-
ратуру газов перед турбиной (400—500° С), что не так остро ставит
вопрос о материалах для лопаток турбины. Следует, однако, иметь
в виду, что газотурбинные установки с сжиганием жидкого топлива
в камерах сгорания более просты и надежны в эксплуатации и,
кроме того, в них сжигаются значительно более тяжелые и низко-
сортные топлива.
Безвальные поршневые генераторы сравнительно просто регу-
лируются. Если изменить подачу топлива, то уменьшится или уве-
личится мощность двигателя. Но при этом изменяются и крайние
мертвые положения поршней компрессора, что позволяет регули-
ровать количество подаваемого воздуха без каких-либо особых
устройств. При изменении хода поршней меняется также и степень
повышения давления в цилиндре двигателя, что благоприятно
влияет на работу двигателя, особенно во время пуска.
Очень важным является также то обстоятельство, что газотур-
бинные установки такого типа имеют высокую экономичность при
средних эксплуатационных нагрузках, и это делает целесообраз-
ным их применение на локомотивах.
Безвальные поршневые генераторы газов имеют и существенные
недостатки. Прежде всего, они пока еще недостаточно надежны
в работе. Изменение воздушных буферов при частичных нагрузках
делает неустойчивой работу двигателя при значительном изменении
мощности; высокие скорости поршней требуют более совершенной
конструкции клапанов компрессора, уменьшения веса самих порш-
70
ней; затруднен пуск установок и впрыск топлива в дизель; требуют-
ся надежные конструкции синхронизирующих механизмов. Кроме
того, мощность безвального генератора ограничена. В настоящее
время удается построить генераторы на мощность только около
1000 л. с.; при необходимой большей мощности устанавливают
соответственно несколько безвальных генераторов, но при этом
значительно усложняются условия их регулирования и обеспече-
ния надежной совместной работы.
В создании газотурбинных установок с генераторами газов
одно из ведущих мест принадлежит отечественным ученым. Первая
дизель-турбинная установка с механическим (кривошипным) гене-
ратором газа была предложена А. Н. Шелестом в 1913 г.
Рис. 59. Общий вид газотурбовоза Рено
В 1922—1923 гг. инженер Е. Е. Лонткевич впервые разработал кон-
струкцию безвального поршневого генератора газов, предназна-
чавшегося для газотурбинной установки железнодорожного и вод-
ного транспорта. За границей исследованием этих двигателей стали
заниматься значительно позднее.
В 1952 г. заводами Репо во Франции был построен первый газо-
турбовоз с безвальным поршневым генератором газа. На рис. 59
и 60 показаны внешний вид этого газотурбовоза и расположение
основного оборудования. Силовая установка газотурбовоза состоит
из одного безвального генератора и газовой турбины, поэтому пол-
ная мощность локомотива не превышает 1 000 л. с. Весьма харак-
терно, что этот газотурбовоз выполнен не с электрической переда-
чей, а с механической. Последняя устроена подобно передаче в авто-
мобилях — в виде коробки скоростей и карданных валов, которые
далее передают вращение зубчатым редукторам, расположенным
71
Рис. 60. Расположение оборудования на газотурбовозе Рено:
1 — генератор газа; 2 —ресивер; а —газовая турбина; 4 — главная коробка передач; 5 —воздушные баллоны;
6 — вспомогательный дизель; 7 —аккумулятор; 8 — радиаторы; 9 — воздушные фильтры; 10 — выпуск газов помимо
турбины; 11 — топливо
на тележках локомотива. В качестве вспомогательного двигателя
на локомотиве установлен шестицилиндровый дизель мощностью
90 л. с. Он служит для привода вентилятора, тормозного насоса,
пускового компрессора, водяного и масляного насосов, электро-
генератора.
Безвальный генератор и газовая турбина локомотива работают
по рассмотренному выше принципу. Запуск двигателя производит-
ся сжатым воздухом из баллонов, которые наполняются пусковым
компрессором. Воздух всасывается в компрессорные полости гене-
ратора через воздушные фильтры; жидкое топливо впрыскивается
в двигатель шестью форсунками, расположенными на периферии
цилиндра. Смесь сжатого воздуха и продуктов сгорания на выходе
из двигателя имеет температуру 500° С и далее расширяется в 6-сту-
пенчатой газовой турбине.
По данным испытаний, газотурбовоз Рено имеет коэффициент
полезного действия 32—33%, т. е. даже выше, чем у тепловозов.
Однако следует учесть, что это обусловливается также тем, что
коэффициент полезного действия механической передачи значи-
тельно выше, чем электрической, устанавливаемой на тепло-
возах.
В 1954 г. Шведской фирмой Гетаверкен был построен газотурбо-
воз с генератором газов мощностью 1 300 л. с. Отличительной особен-
ностью этого локомотива является то, что генератором газа служит
пятицилиндровый двигатель с расходящимися поршнями, причем
компрессор расположен только с одной стороны двигателя. Кроме
того, локомотив также оборудован механической передачей. Отхо-
дящие из двигателя газы при температуре 500° С поступают в га-
зовую турбину мощностью 1 000 л. с.
В Советском Союзе построено уже несколько безвальных гене-
раторов, однако локомотивные установки находятся еще в стадии
проектных работ и стендовых исследований.
Проекты газотурбовозов такого типа разработаны Московским
высшим техническим училищем, Харьковским и Ворошиловград-
ским заводами транспортного машиностроения.
На рис. 61 показано расположение оборудования в проекте газо-
турбовоза Харьковского завода. Газотурбовоз запроектирован
в двух секциях общей мощностью силовых установок 6 000 л. с.
и с электрической передачей. Каждая секция имеет два безвальных
генератора, которые питают газом одну газовую турбину. Темпе-
ратура газов перед турбиной 444° С.
Ворошиловградским заводом уже закончен технический проект
газотурбовоза также мощностью 6 000 л. с. в двух секциях. В 1956 г,
завод приступил к экспериментальной доводке безвального генера-
тора газа.
Высокие экономические показатели и конструктивные достоин-
ства установок с безвальными генераторами газов послужили при-
чиной того, что в настоящее время очень многие иностранные фирмы
(Франция — Рено, Англия — Алан Мюнц, США — Дженерал Мо-
73
Рис. 61. Расположение оборудования па газотурбовозе с безвальными генераторами газа (проект Харьковского завода):
;генераторгаза; 2—газовая турбина; 3—редуктор; 4—генератор постоянного тока; 5—тяговые электродвигатели
торс, Балдуин, Швеция — Гетаверкен, Швейцария — Зульцер)
приступили к освоению таких установок.
В табл. 2 приведены основные характеристики построенных и
некоторых проектных газотурбовозов с безвальными поршневыми
генераторами газа.
Таблица 2
Основные характеристики газотурбовозов с безвальными
генераторами газа
Характеристика	Рено № Б070. Франция, 1952 г.	Гетаверкен. Швеция, 1954 г.	Харьковский завод. СССР, 1955 г.	Ворошилов - градский завод. СССР, 1 955 г.
Мощность на валу дви- гателя в л. с		1 200	1 300	2X3 000	2 X 3 000
Тип силовой установки	Безвальный	Дизель-	Безвальный	Безвальный
	генератор и турбина	генератор и турбина	генератор и турбина	генератор и турбина
Число генераторов газа	1	1	2X2	2X4
Конструктивная ско- рость в км/ч ....	125	90	100—120	100
Тип передачи 		Мех.	Мех.	Электр.	Электр.
Вес служебный (1 сек- ция) в т		54	60	125	142,5
Длина (1 секция) в м .	16,15	—	16,97	18,63
Число оборотов вала турбины в об/мин . .	12 320	12 500	4 800	7 000
Температура газов пе- ред турбиной в °C .	500	500	444	462
К. п. д. локомотива в %	32	—	—	29
Проблема создания газотурбовоза на твердом топливе
Создание высокоэкономичных локомотивов, работающих на
твердом топливе, — одна из важнейших народнохозяйственных
проблем. В настоящее время железнодорожный транспорт является
основным потребителем твердого топлива — около 1/4 части угля,
добываемого в нашей стране, сжигается в топках паровозных кот-
лов. Но паровоз имеет очень низкий коэффициент полезного дей-
ствия (6—7%), причем даже за счет весьма существенных тепло-
технических усовершенствований нельзя поднять к. п. д. паровоза
выше 9—10%. Таким образом, если удастся создать высокоэконо-
мичный локомотив, работающий на твердом топливе, то это даст
колоссальную экономию государственных средств. К решению
этой проблемы приковано внимание очень многих научно-исследо-
вательских организаций как у нас в Советском Союзе, так и за ру-
бежом.
75
Известно, что отечественные ученые уже создали тепловозы,
работающие частично на жидком и частично на твердом топливе.
В этих локомотивах твердое топливо предварительно превращается
в горючий газ в специальных газогенераторах, затем газ очищается
от твердых частиц, охлаждается и поступает в двигатель внутрен-
него сгорания. В цилиндре двигателя происходит воспламенение
и сгорание генераторного газа, причем для зажигания газа в ци-
линдры впрыскивается небольшое количество жидкого топлива.
Газогенераторные тепловозы расходуют около 60—70% твердого
топлива и имеют коэффициент полезного действия 15—16%. Однако
газогенераторные тепловозы еще не решают всей проблемы высоко-
экономичного сжигания твердого топлива. И здесь имеется целый
ряд трудностей и нерешенных вопросов. Прежде всего, газогенера-
торные тепловозы работают пока что лишь на сортированных антра-
цитах определенных шахт; генераторный газ перед двигателем не-
обходимо охлаждать, что приводит к неизбежным тепловым потерям
и, наконец, сам двигатель внутреннего сгорания предъявляет очень
высокие требования к газу как топливу.
В этом отношении газотурбинные установки имеют более благо-
приятные перспективы перевода на твердое топливо, нежели двига-
тели внутреннего сгорания.
В газотурбинных установках, как мы уже знаем, процесс сго-
рания топлива вынесен за пределы газовой турбины, т. е. он отделен
от процесса расширения продуктов сгорания. А это значит, что
процесс сгорания может быть организован соответственно типу и
характеру топлива. Кроме того,горячие газы перед турбиной не
требуют такого охлаждения, как это имеет место в двигателях, чем
упрощается конструкция и повышается экономичность установки.
Вот почему в настоящее время особое внимание уделяется созда-
нию газотурбовозов на твердом топливе. Нельзя, однако, думать,
что в решении этой проблемы нет трудностей. Они есть и очень
серьезные. Не случайно поэтому, что до сих пор созданы лишь
экспериментальные газотурбинные установки на твердом топ-
ливе, и ни в одной из стран пока что не удалось создать
эксплуатационно надежную конструкцию такого типа газотурбо-
возов.
Локомотивные газотурбинные установки на твердом топливе
могут быть осуществлены следующими основными путями:
1)	сжиганием твердого топлива в воздушном котле и нагрева-
нием в этом котле воздуха, идущего от компрессора в газовую
турбину;
2)	сжиганием угольной пыли непосредственно в камерах сгора-
ния газотурбовозов;
3)	предварительной газификацией твердого топлива под давле-
нием с последующим сжиганием генераторного газа в камере сго-
рания.
Познакомимся с основными особенностями работы и конструк-
ции газотурбовозов, работающих по этим схемам.
76
Газотурбовоз с воздушным котлом
Схема локомотивной газотурбинной установки с воздушным
котлом приведена на рис. 62.
Мы видим, что газотурбинная установка включает в себя почти
все основные элементы, которые имела установка на жидком топли-
ве: газовую турбину, воздушный компрессор, редуктор и генератор.
Однако на пути воздуха между компрессором и газовой турбиной
установлена не камера сгорания жидкого топлива, а воздушный
котел.
Воздушный котел по своей схеме во многом напоминает паро-
возный. В нем также имеется топка с колосниковой решеткой, на
Рис. 62. Схема локомотивной газотурбинной установки с воз-
душным котлом
которой сжигается топливо, и трубчатая часть. Но в паровозном
котле тепло сгоревшего топлива отдается воде, здесь же воды
нет. Потому-то котел и называется воздушным, что тепло продук-
тов сгорания топлива отдается воздуху, омывающему трубки
котла.
Газотурбинная установка с воздушным котлом работает сле-
дующим образом. Компрессор засасывает атмосферный воздух,
сжимает его до 5—6 атм и направляет в воздушный котел. В топке
воздушного котла сжигается твердое топливо, причем тяга газов
осуществляется с помощью дымососа, приводимого в движение от
электромотора. Горячие продукты сгорания проходят по трубам
воздушного котла, отдают свое тепло (через стенки трубок) воз-
духу и выбрасываются в атмосферу. Нагретый воздух из котла
поступает в газовую турбину, где расширяется и совершает работу.
Передача мощности от турбины к колесам локомотива осуществляет-
ся обычным путем — через редуктор, генератор и тяговые электро-
двигатели.
77
Рассмотренная схема локомотивной газотурбинной установки
имеет целый ряд очень важных достоинств.
Прежде всего, весьма существенным является то, что в топке
воздушного котла может сжигаться практически любое промыш-
ленное топливо, т. е. газотурбовоз с воздушным котлом обладает
такой же универсальностью в отношении топлива, какой обладает
паровоз. Кроме того, при нагреве в воздушном котле воздух нигде
не смешивается с продуктами сгорания топлива (тепло передается
через стенку), и, следовательно, в турбину поступает совершенно
чистый воздух. Это делает особенно благоприятными условия работы
лопаток турбины — исключается возможность коррозии и износа
лопаток от действия газов и потока твердых несгоревших частиц.
Так как из турбины в данном случае выходит совершенно чистый
воздух, то, очевидно, его можно охладить до температуры окру-
жающей среды и вновь подать в компрессор. Таким образом, оказы-
вается возможным осуществить так называемый замкнутый цикл,
когда определенное количество воздуха циркулирует в замкнутой
системе: компрессор — воздушный котел — турбина — компрессор.
В замкнутой схеме уже необязательно, чтобы на входе в компрессор
(т. е. и на выходе из турбины) давление воздуха было равно атмо-
сферному. Это давление можно повысить (соответственно, конечно,
повысится и давление за компрессором). Но чем больше давление,
тем меньше объем воздуха, а значит при том же расходе воздуха
и мощности установки размеры и вес ее уменьшаются. Кроме того,
в замкнутой схеме вместо воздуха можно использовать другие газы
(например водород, гелий), что позволяет еще больше уменьшить
необходимые размеры агрегатов.
Несмотря на все перечисленные достоинства и простоту схемы,
создание газотурбовозов с воздушным котлом достаточно высокой
экономичности в настоящее время затруднительно. Мы помним,
что для того, чтобы коэффициент полезного действия газотурбовоза с
сжиганием жидкого топлива в камерах сгорания был равен 16—17%,
нужно иметь температуру газов перед турбиной 700—750°С. В усло-
виях воздушного котла при таких температурах воздуха к. п. д.
локомотива будет даже несколько ниже — около 14—15%. Это
объясняется тем, что воздушный котел создает значительные сопро-
тивления движению воздуха от компрессора к газовой турбине.
Кроме того, при сжигании твердого топлива на колосниковой ре-
шетке имеются потери тепла от неполного сгорания топлива, уноса
мелких несгоревших частиц и т. д., в результате чего коэффициент
полезного действия воздушного котла оказывается ниже, чем ка-
меры сгорания жидкого топлива.
Но что значит нагреть воздух в воздушном котле до 700—750°С?
Это значит, что трубки котла необходимо изготовить из такого ме-
талла, который выдерживал бы температуру около 800—850°С.
По современному состоянию металлургии легированные стали
промышленного применения могут устойчиво работать при темпера-
турах около 700°С, следовательно, при изготовлении котла из такой
78
стали в нем можно подогреть воздух не свыше чем до 600°С. Но тогда
и коэффициент полезного действия газотурбовоза оказывается рав-
ным всего лишь 10—11 %.
Следует также отметить, что при сжигании твердого топлива
на колосниковой решетке значительные трудности возникают с авто-
матическим регулированием температуры воздуха перед турбиной
при частичных нагрузках локомотива.
Газотурбинная установка с воздушным котлом использована
в проекте газотурбовоза английской фирмой Парсонс. Особенностью
этого проекта является то, что воздух после воздушного котла рас-
ширяется в двух турбинах: одна турбина всю свою мощность отдает
компрессору, а другая турбина с помощью механической передачи
приводит во вращение оси локомотива. В проекте предполагается
сжигание в топке воздушного котла угольной пыли.
Газотурбовоз с двухступенчатым сжиганием топлива
Итак, по современному состоянию металлургии можно изгото-
вить воздушный котел, нагревающий воздух лишь до температуры
около 600°С. Каким же путем повысить эту температуру с тем, чтобы
получить более высокий коэффициент полезного действия газотурбо-
воза? Эта задача решается в схеме двухступенчатого сжигания топ-
лива, предложенной в 1955 г. проф. Н. И. Белоконь. Идея схемы
заключается в следующем. В воздушном котле за счет сжигания
твердого топлива воздух нагревается до температуры 575—600°С,
т. е. до такой, которую допускает материал стенок трубок котла,
дальнейшее же повышение температуры воздуха (до 720—750°С)
осуществляется путем сжигания в этом уже нагретом воздухе жид-
кого топлива (возможно также сжигание газа или угольной пыли).
Иными словами, предусматривается последовательное сжигание
твердого топлива в воздушном котле (первая ступень), а затем жид-
кого топлива в камере сгорания (вторая ступень).
Схема силовой установки газотурбовоза с двухступенчатым сжи-
ганием топлива приведена на рис. 63. Как видно, газотурбинная
установка, помимо тех агрегатов, которые были в схеме с воздушным
котлом, оборудована еще камерой сгорания жидкого топлива. Уста-
новка работает следующим образом. Воздух, сжатый в компрессоре,
как мы уже говорили, направляется вначале в воздушный котел,
где нагревается (до 575—600°С) за счет тепла продуктов сгорания
твердого топлива; далее этот воздух поступает в камеру сгорания
жидкого топлива. Здесь процесс происходит, как и в обычных
камерах. Горячий воздух разделяется на два потока: меньшая часть
поступает в зону непосредственного сгорания жидкого топлива,
большая часть идет на охлаждение продуктов сгорания до темпе-
ратуры 720—750°С. Из камеры сгорания горячий воздух с продук-
тами сгорания жидкого топлива поступает на лопатки газовой тур-
бины. Путь газов, покидающих турбину, несколько необычен.
Из турбины в данном случае уходит не чистый горячий воздух,
79
как при схеме с одним воздушным котлом, а воздух, содержащий
некоторое количество продуктов сгорания жидкого топлива. Однако
этих газов в воздухе оказывается очень малое количество. В газо-
турбовозе, работающем только на жидком топливе, в воздухе после
камеры сгорания содержится лишь 1/20 по весу продуктов сгорания.
Здесь же жидкого топлива расходуется только 20—30% (остальное
твердое топливо), т. е. газы перед турбиной содержат примерно
1/юо продуктов сгорания, и, значит, их можно считать практически
Рис. 63. Схема локомотивной газотурбинной установки с двухсту-
пенчатым сжиганием топлива
чистым воздухом. Поэтому газы после турбины можно использовать
для осуществления процесса горения твердого топлива в топке
воздушного котла.
Как видно из схемы, часть горячих газов из турбины выбрасы-
вается в атмосферу, а часть направляется в топку котла. В топку
газы подводятся в двух местах: меньшая часть — в зольник под
колосниковую решетку для обеспечения сгорания топлива, а боль-
шая часть — в топочный объем над сводом с тем, чтобы охладить
продукты сгорания перед их поступлением в трубчатую часть.
Ведь температура газов после сгорания топлива очень высока
(1500—1600°С), и такими газами можно сжечь даже высокока-
чественные трубки. Поэтому топочные газы охлаждаются примерно
до 1000°С и уже тогда поступают в воздушный котел.
Такое использование уходящих из турбины газов имеет еще
одно преимущество. Очевидно, можно использовать для подогрева
сжатого воздуха в котле и тепло газов, покидающих турбину, т. е.
осуществить регенерацию тепла. Действительно, если сделать воз-
душный котел таких размеров, что топочные газы будут охлаж-
даться в нем ниже температуры газов, поступающих в топку из тур-
бины, то эта часть тепла будет заимствована не от сгоревшего топ-
80
лива, а от газов, покидающих турбину, и, следовательно, будет
осуществлена частичная регенерация. Таким образом, воздушный
котел превращается в котел-регенератор.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте железно-
дорожного транспорта выполнен проект такого газотурбовоза мощ-
ностью 3 000 л. с. в одной секции. Расположение основных агрегатов
и оборудования на газотурбовозе показано на рис. 64.
В передней части локомотива размещается кабина машиниста
и его помощника; под ней устанавливаются вспомогательный дизель
с генератором и тормозной компрессор. Между кабиной и воздуш-
ным котлом размещен запас твердого топлива (8—10 m) из расчета
5—6-часовой безэкипировочной работы. В задней части локомо-
тива установлены основные и вспомогательные агрегаты силовой
установки: компрессор, турбина, камера сгорания жидкого топлива,
редуктор, генератор, баки жидкого топлива и смазки, воздушные
масляные холодильники, аккумулятор.
Газотурбовоз расположен на четырех двухосных тележках; шесть
осей оборудованы тяговыми электродвигателями, т. е. являются
движущими осями; первые две оси выполняют роль бегунковых
осей. Вес газотурбовоза с 2/3 запасов топлива равен 172,6 т, что
соответствует нагрузке на каждую ось — 21,6 т.
Центральным узлом при создании рассматриваемого типа газо-
турбовоза является изготовление эксплуатационно надежной кон-
струкции воздушного котла-регенератора. В проекте ЦНИИ МПС
воздушный котел выполнен состоящим из трех основных частей:
топки, трубчатого участка котла из высококачественной (легиро-
ванной) стали и участка котла из обычной стали. Топка представ-
ляет собой трубчатый каркас, покрытый внутри хромитовой изо-
ляцией. Для охлаждения стенок топки от действия высоких темпера-
тур воздух, идущий от компрессора в воздушный котел, вначале
проходит по трубам топки, а затем уже поступает в хвостовую часть
трубчатой поверхности нагрева. Разделение котла на два трубчатых
пучка делает возможным расходовать сравнительно немного высоко-
легированной стали на трубы, расположенные в области высоко-
нагретых газов, выходящих из топки.
По расчетным данным, газотурбовоз с двухступенчатым сжи-
ганием должен расходовать по весу 70—80% твердого топлива
и 20—30% жидкого топлива при коэффициенте полезного действия
на полной мощности 14,5%. Оказалось, что наличие в схеме воздуш-
ного котла-регенератора значительно улучшило показатели газо-
турбовоза на частичных нагрузках: так, коэффициент полезного
действия локомотива при средних эксплуатационных режимах даже
несколько выше расчетного. Положительное влияние имеет также
наличие в схеме камеры сгорания жидкого топлива. Это позволяет
осуществлять более гибкое регулирование мощности при движении
локомотива по переменному профилю пути. Мы уже говорили о том,
что при двухступенчатом сжигании топлива в газовую турбину
поступает почти совершенно чистый воздух, а это значит, что сохра-
6 Зак. 1098	81
JZ6&
Рис. 64. Расположение оборудования на газотурбовозе с двухступенчатым сжиганием топлива (проект ЦНИИ-НБ):
1 — воздушный котел; 2 — турбина; з — компрессор; 4 — камера сгсрания; 5 —редуктор; 6 — генератор; 7 —дымосос; 8 —вспомогательный
дизель; 9 — тормозной компрессор; 10 — масляный холодильник; 11— твердое топливо; /2 —жидкое топливо
няются весьма благоприятные условия работы вращающихся ло-
паток.
При успешном завершении исследований и опытов по созданию
надежной конструкции воздушного котла газотурбовозы с двух-
ступенчатым сжиганием топлива могут получить широкое примене-
ние на железнодорожном транспорте как новый тип высокоэконо-
мичного локомотива на твердом топливе.
Газотурбовоз с сжиганием угольной пыли в камерах сгорания
Сжигание угля в виде пыли широко применяется в мощных
стационарных котельных установках. Известно также, что до сих
пор ведутся работы по сжиганию угольной пыли в топках паровоз-
ных котлов.
В чем же состоит преимущество сжигания топлива в виде пыли?
Ведь, для того чтобы уголь превратить в пыль, нужно его размо-
лоть, т. е. затратить некоторое дополнительное количество энергии.
При сгорании кускового твердого топлива очень большие потери
происходят за счет того, что топливо сгорает не полностью: часть
его проваливается вместе со шлаком через колосниковую решетку,
часть уносится уходящими газами в виде мелких несгоревших
частиц. Если кусок каменного угля превратить в мелкую пыль,
то его поверхность, соприкасающаяся с воздухом, возрастает в не-
сколько десятков тысяч раз. А это значит, что частицы угля будут
быстрее и полнее сгорать, т. е. повысится коэффициент полезного
действия котельной установки. Угольная пыль обычно подается
в топочный объем через форсунки вместе с воздухом и сгорает по-
добно тому, как горит нефтяной факел. Как уже отмечалось, такое
сжигание угольной пыли предусмотрено в проекте газотурбовоза
английской фирмы Парсонс.
Но как бы полно уголь ни был сожжен в топке котла, все же
коэффициент полезного действия установки не может быть очень
высоким, так как часть тепла неизбежно теряется с уходящими
из котла газами и не поступает в турбину. Иначе обстоит дело в ка-
мерах сгорания. Там топливо непосредственно сжигается в воздухе,
идущем в турбину, нет потерь с уходящими топочными газами
и, соответственно, к. п. д. камер сгорания оказывается очень высо-
ким (0,95—0,97). Вот почему возникла идея непосредственного
сжигания угольной пыли в камерах сгорания газотурбинных уста-
новок и, в частности, на газотурбовозах.
Основные задачи, связанные с использованием угольной пыли
в газотурбинных установках, заключаются в пылеприготовлении,
сжигании пылевидного топлива под давлением в камерах и в уда-
лении золы из продуктов сгорания перед их поступлением на ло-
патки газовой турбины.
Газотурбовозы могут выполняться как с индивидуальным, так
и с централизованным пылеприготовлением. При индивидуальном
пылеприготовлении на локомотив загружается обычное кусковое
6*	83
топливо, которое перед сжиганием подсушивается и превращается
в пыль в специальных мельницах. При централизованном пылепри-
готовлении топливо мелется на специальных углеразмольных стан-
циях и пыль поступает на локомотив в готовом виде. Индивидуаль-
ное пылеприготовление делает газотурбовоз независимым, или,
как говорят, автономным локомотивом, однако наличие дополни-
тельных агрегатов увеличивает габариты и вес газотурбинной уста-
новки. Мы познакомимся с наиболее простой схемой газотурбовоза
на пылевидном топливе в условиях централизованного пылепри-
готовления.
Всякое топливо содержит определенное количество минеральных
примесей, не участвующих в горении. Поэтому даже при достаточно
полном сгорании угольной пыли в камерах поток горячих газов
содержит большое количество шлака и золы, которые при попадании
на лопатки турбины могут изнашивать их и даже разрушить. Так
как лопатки турбины очень быстро вращаются, то нельзя допускать
попадания на них даже очень мелких твердых частиц. Наибольшему
износу подвергаются первые ряды лопаток, так как на последующие
ступени идут уже более измельченные частицы. В настоящее время
установлено, что надежная работа лопаток турбины обеспечивается
лишь в том случае, когда размеры твердых частиц в потоке газа
не превышают 10 микронов (т. е. Vioo Таким образом, основ-
ными проблемами в создании газотурбовозов на пылевидном топ-
ливе являются организация достаточно полного сгорания пыли
в камерах и очень тщательная очистка газа перед турбиной.
Обычно различают два способа сжигания угольной пыли: с жид-
ким и сухим шлакоудалением. При жидком шлакоудалении во всем
объеме камеры сгорания поддерживается высокая температура,
при которой шлак находится в расплавленном состоянии и стекает
по стенкам камеры в специальное шлакоулавливающее устройство.
Достоинством такого способа сжигания пыли является то, что резко
снижается выход золы с продуктами сгорания и облегчаются усло-
вия очистки газов перед турбиной. Однако применение камер с жид-
ким шлакоудалением в условиях газотурбовозов встречает значи-
тельные трудности главным образом вследствие необходимости под-
держания высокой температуры в камере при резко переменных
режимах работы локомотива.
При сухом шлакоудалении высокая температура поддержива-
ется лишь в зоне непосредственного воспламенения топлива. Далее,
продукты сгорания охлаждаются воздухом настолько, что отдельные
расплавленные частицы золы застывают раньше, чем они смогут
соединиться в шлак. В этом случае все несгоревшие частицы уно-
сятся с продуктами сгорания и, следовательно, после камеры сгора-
ния необходимо устанавливать довольно сложный комплекс очи-
стительных устройств. Вместе с тем сухое шлакоудаление более
надежно при работе на переменных нагрузках и поэтому получает
преимущественное распространение в локомотивных пылеугольных
газотурбинных установках.
84
На рис. 65 показана схема локомотивной газотурбинной уста-
новки, работающей на угольной пыли. Угольная пыль размещается
в специальном бункере с наклонными стенками, на которых уло-
жены особые плитки с большим количеством капиллярных от-
верстий (аэроплитки). К этим плиткам подводится сжатый воздух
от компрессора, который, выходя через мелкие отверстия, взрых-
ляет пыль, вследствие чего она легко ссыпается в нижнюю часть
бункера к питателю. Питатели пыли выполняются различной кон-
Жалюзийный
Рис. 65. Схема локомотивной газотурбинной установки,
работающей на угольной пыли
струкции. На схеме изображен питатель барабанного типа, имеющий
вращающийся ротор с ячейками для захвата пыли. Такой тип
питателя наиболее отвечает предъявленным к нему требованиям.
Он имеет небольшие размеры, легко обеспечивает подачу любого
количества топлива и надежно подает угольную пыль в среду,
имеющую более высокое давление. Для транспортировки пыли
от питателя к камерам сгорания используется сжатый воздух.
Этот воздух забирается от трубопровода за осевым компрессором
и дополнительно сжимается в специальном поршневом компрессоре.
Такое дополнительное повышение давления воздуха необходимо
для того, чтобы он мог не только транспортировать пыль, но и по-
давать ее с достаточной скоростью в камеру сгорания, находящуюся
также под давлением. Этот воздух, идущий вместе с пылью, исполь-
зуется для воспламенения и сгорания пыли в камере сгорания.
Основная часть воздуха, сжатого в осевом компрессоре, поступает
непосредственно в камеру сгорания и используется в качестве вто-
ричного воздуха, снижающего температуру продуктов сгорания
и охлаждающего пламенную трубу камеры.
Продукты сгорания из камеры поступают в систему очиститель-
85
ных устройств. Эти устройства представляют собой различные
типы центробежных очистителей. Начальная, грубая очистка про-
дуктов сгорания осуществляется в жалюзийном очистителе. Прин-
цип его действия достаточно ясен из схемы (см. рис. 65). При поворо-
те потока в жалюзи с ним увлекаются лишь мелкие частицы золы,
остальные же вместе с частью газов (около 10%) по инерции про-
летают мимо жалюзей в отсосный циклон. В отсосном циклоне
поток получает быстрое винтовое вращение, в результате чего
частицы золы вначале отбрасываются к стенкам циклона, а затем
попадают в нижнюю его часть и оттуда уже удаляются. Пройдя
первую ступень очистки, продукты сгорания поступают во вторую
ступень, представляющую собой так называемый мультициклон,
т. е. батарею циклонов небольших размеров. В них очистка газов
производится также путем резкого поворота (а иногда и закручи-
вания) потока. После мультициклонов горячие продукты сгорания
поступают в газовую турбину.
Описанная схема двухступенчатой очистки является в настоя-
щее время наиболее эффективной и обеспечивает удаление из
потока до 80—90% взвешенных твердых частиц. Однако и этого ока-
зывается недостаточным для надежной и долговечной работы тур-
бинных лопаток. Поэтому в настоящее время ведутся исследования
по изысканию еще более надежных путей очистки от золы продук-
тов сгорания.
В случае успешного решения проблемы очистки газотурбовозы
на угольной пыли могут оказаться достаточно высокоэкономич-
ными локомотивами, работающими на твердом топливе. Расчеты
показывают, что при температуре газов перед турбиной 700—750°С
коэффициент полезного действия такого газотурбовоза составит
14—15% (без регенератора).
Вопросом создания газотурбовоза на пылеугольном топливе
по схеме, аналогичной с рассмотренной выше, занимается ряд за-
граничных фирм: Аллис Чалмерс, Алко и Эллиот-Балдвин
в США, Северо-Британская локомотивная компания в Англии и др.
По данным зарубежной печати, газотурбинная установка Аллис
Чалмерс уже в течение ряда лет проходит испытания на пыли
из битуминозного угля (уголь, содержащий мало золы и много лету-
чих). В 1955 г. установка проработала 852 ч при нагрузке 90% и
568 ч при нагрузке около 70%. Отмечаются более благоприятные
результаты в отношении износа лопаток, чем, например, при опытах
в 1952 г.
У нас в Советском Союзе проблемой сжигания угольной пыли
в газотурбинных установках занимается целый ряд научно-иссле-
довательских организаций. В 1955 г. Харьковским заводом в со-
дружестве с исследовательскими институтами был разработан эскиз-
ный проект газотурбовоза на угольной пыли. Общий вид распо-
ложения оборудования на газотурбовозе показан на рис. 66.
Газотурбовоз запроектирован с централизованным пылеприготов-
лением, газотурбинной установкой с регенератором и электриче-
86
со
Рис. 66. Расположение оборудования на пылеугольном газотурбовозе (проект Харьковского завода):
/ — турбина; 2 — компрессор; 3 — регенератор; 4 — камера сгорания; 5 —жалюзийный очиститель; 6 — циклон; 7 —мультициклон;
8 —угольный бункер; S —редуктор; 10 — генератор; // —вспомогательный дизель; /2 —тормозной компрессор
ской передачей. Мощность локомотива 3000 л. с., общая длина
26 м. Расчетный к. п. д. проектного газотурбовоза при темпера-
туре газов перед турбиной 700°С получен равным 15,5%.
Газотурбовоз с газификацией твердого топлива
под давлением
При сжигании твердого топлива в слое или в виде пыли процесс
сгорания, т. е. соединения горючих элементов топлива (углерода,
водорода, серы) с кислородом воздуха, происходит полностью.
В этом случае продукты сгорания топлива почти не содержат
каких-либо элементов или соединений, которые можно было бы
в дальнейшем сжечь и получить дополнительное выделение тепла.
Для осуществления такого процесса к топливу подводится воздух
в количестве даже несколько большем, чем это теоретически тре-
буется для полного сгорания топлива.
Иная картина получится, если к топливу подвести воздух
в количестве, недостаточном для полного сгорания. Тогда горючие
элементы топлива не будут полностью сгорать, и продукты сго-
рания будут представлять собой горючий газ, который в дальней-
шем можно сжечь и получить достаточно большое количество тепла.
Известно, например, что основным горючим элементом топлива
является углерод. Если сгорание происходит полностью, то в ре-
зультате соединения углерода с кислородом воздуха получается
углекислый газ (СО2) и при этом выделяется 8 080 кал тепла с 1 кг
углерода; углекислый газ уже не только не является горючим,
но даже препятствует горению. При недостаточном количестве воз-
духа углерод сгорает в окись углерода (СО) и при этом выделяется
только 2 385 кал на 1 кг углерода. Если далее окись углерода сжи-
гать в углекислый газ, то выделяется основное количество тепла —
5 695 кал, т. е. около 70% всего тепла, которое может быть полу-
чено при полном сгорании углерода. Таким образом, если уголь
сжигать с недостатком воздуха, то происходит не процесс сгорания
угля, а процесс его газификации, т. е. выделение горючего газа.
Может возникнуть вопрос: в чем состоят преимущества газифи-
кации угля сравнительно с сжиганием его в виде пыли? Ведь
в итоге все равно выделяется одно и то же количество тепла. Это,
конечно, верно. Однако предварительная газификация угля с
последующим сжиганием генераторного газа имеет целый ряд до-
стоинств. Мы уже говорили о газогенераторных тепловозах. Там
такой способ последовательного (двухступенчатого) сжигания яв-
ляется пока единственным способом перевода двигателей внутрен-
него сгорания на твердое топливо. Действительно, генераторный
газ достаточно удовлетворительно сжигается в цилиндре двигателя
внутреннего сгорания, в то время как непосредственно твердое
топливо даже в виде пыли не удается сжечь в этих условиях, так
как очень сложной оказывается проблема удаления золы и шлака
из цилиндра двигателя. В газотурбинных установках такого ог-
раничения, как мы уже знаем, нет. Здесь может быть применено
88
как сжигание пыли, так и газификация угля. Следует лишь пола-
гать, что при схеме с предварительной газификацией несколько
облегчены условия очистки газов перед турбиной и, кроме того,
отсутствуют дополнительные расходы энергии на предварительный
размол угля.
На рис. 67 приведена схема локомотивной газотурбинной уста-
новки с газификацией угля под давлением. Новым элементом в
этой схеме, как мы видим, является газогенератор, представляю-
щий собой шахтную топку. В верхней его части размещается бун-
Рис. 67. Схема локомотивной газотурбинной установки
с газогенератором под давлением
кер, в который загружается топливо, в нижней части — установ-
лена колосниковая решетка, через которую подается необходимый
для газификации воздух и удаляются несгоревшие остатки твер-
дого топлива; отбор генераторного газа осуществляется в верх-
ней части шахты.
Газификация каменных углей и антрацитов может производить-
ся как с сухим, так и с жидким шлакоудалением. Однако в локо-
мотивных газотурбинных установках по тем же мотивам, что и в
случае сжигания угольной пыли, предпочтение отдается газогене-
раторам с сухим шлакоудалением. Но в газогенераторе нельзя
снизить температуру ниже температуры плавления золы введе-
нием дополнительного холодного воздуха (как это делается в пыле-
угольных камерах сгорания), так как процесс газификации может
превратиться просто в процесс полного сгорания топлива. Поэто-
му в газогенераторах, с тем чтобы избежать образования жидких
шлаков, снижают температуру процесса введением в слой топлива
вместе с воздухом некоторого количества пара. Для получения
7 Зак. 1098	89
этого пара вокруг шахты газогенератора устраивается специаль-
ная водяная рубашка, где вода получает тепло от нагретых стенок
газогенератора.
Рассмотрим, как работает газотурбинная установка с газо-
генератором. Воздух, сжатый в осевом компрессоре, разделяется
на два потока. Меньшая его часть, необходимая для газификации
топлива, направляется к газогенератору. Перед входом в газогене-
ратор к этому воздуху подмешивается водяной пар и далее эта
паро-воздушная смесь поступает через колосниковую решетку в
слой топлива.
В локомотивных газогенераторах для того, чтобы иметь уста-
новку приемлемых размеров, нужно обеспечить очень интенсив-
ный процесс газификации. В этих условиях оказывается, что вместе
с отбираемым горючим газом увлекаются и мелкие частицы топлива.
Поэтому генераторный газ предварительно очищают в грубом и
тонком циклонных или другого типа очистителях и затем направ-
ляют в камеру сгорания. Одновременно с этим в камеру сгорания
подводится и большая часть воздуха, сжатого в осевом компрес-
соре, которая используется для сжигания газа и охлаждения
продуктов сгорания до определенной температуры перед газовой
турбиной. Эта часть сжатого воздуха может быть предварительно
подогрета в регенераторе за счет тепла отходящих из турбины го-
рячих газов.
Очистку газов от твердых частиц можно производить и после сжи-
гания газа в камере сгорания, и в этом случае поток будет более
чистым, так как часть унесенных из газогенератора мелких частиц
топлива сгорит в камере. Вместе с тем такие очистители работают
в более тяжелых температурных условиях.
Мы рассмотрели случай, когда в газогенератор подводится сжа-
тый воздух от компрессора и горючий газ также отводится в сжа-
том виде, т. е. газогенератор работает под давлением и должен быть
достаточно плотным и прочным. В газотурбинных установках мож-
но использовать и атмосферные газогенераторы, в которые по-
дается окружающий воздух. Несмотря на то что конструкция
таких газогенераторов проще, чем работающих под давлением,
общая схема установки получается более сложной и менее эконо-
мичной. Ведь в таком случае необходимо газ после генератора вна-
чале охладить, а затем сжать в специальном компрессоре, для того
чтобы подать его в камеру сгорания.
Газотурбовозы с газификацией твердого топлива пока что еще
нигде не построены, однако научно-исследовательские работы в
этой области ведутся и у нас и за границей — в США и в Англии.
Фирма Дженерал-Электрик проводит опыты по газификации куско-
вого угля под давлением 5—9 ат; фирма Метрополитен-Виккерс
в Англии исследует газотурбинную установку с газификацией
пыли в газогенераторах, работающих по принципу циклонной топ-
ки с жидким шлакоудалением. В Советском Союзе над реше-
нием этой проблемы работают Центральный котлотурбинный ин-
90
ститут, Всесоюзный теплотехнический институт, ЦНИИ МПС и ряд
других организаций. Основные трудности на этом пути состоят в
создании газогенераторов большой мощности, работающих на
различных сортах угля, а также в очистке газов перед турбиной.
Коэффициент полезного действия газотурбовоза с газификацией
угля под давлением в условиях электрической передачи может со-
ставить около 13—14% (без регенератора).
Проблема атомного газотурбовоза
Атомная энергия, величайшее открытие нашего времени, с каж-
дым днем завоевывает все более и более широкую область при-
менения, и недалек тот день, когда по стальным магистралям стра-
ны поведут поезда атомные локомотивы.
Каков же будет тип атомного локомотива? Что это будет —
атомные паровозы, паротурбовозы, тепловозы или газотурбовозы?
Этот вопрос сейчас широко обсуждается в научных и инженерно-
технических кругах.
Наиболее экономичным по коэффициенту полезного действия
локомотивом является, как известно, тепловоз. Однако пока что
трудно себе представить пути, по которым можно было бы передать
тепловую энергию, выделяющуюся в результате внутриатомных
процессов, какому-либо рабочему телу, которое далее преобра-
зовало бы это тепло в работу путем сгорания в цилиндре двига-
теля. Едва ли можно ожидать, что атомный локомотив будет соз-
дан па базе тепловоза.
Достаточно реальным является осуществление парового атом-
ного локомотива. В этом случае тепло реакции передается с по-
мощью какого-либо промежуточного теплоносителя (вода, жидкий
металл и т. д.) рабочему телу (воде), испаряет ее и уже далее пар,
расширяясь в двигателе, совершает работу, приводя в движение
локомотив. В качестве двигателя в такой схеме можно исполь-
зовать поршневую паровую машину, как это делается в паровозе,
или паровую турбину. Паровая машина имеет меньший коэффи-
циент полезного действия, чем турбина, поэтому атомный локомотив
имеет смысл осуществлять лишь с паровой турбиной, т. е. делать
его в виде атомного паротурбовоза. Этот выбор обусловливается
также тем, что для достижения даже сравнительно невысокого коэф-
фициента полезного действия локомотива необходимо конденси-
ровать (превращать в воду) отработавший в паровом двигателе
пар, а в этом отношении паровая турбина имеет несомненные
преимущества сравнительно с паровой машиной. Проекты атом-
ных паротурбовозов уже имеются.
Но является ли такой тип атомовоза единственно возможным и,
главное, перспективным? Этого сказать нельзя. Не менее реаль-
ным является атомный газотурбовоз. Более того, имеются сообра-
жения, по которым атомный газотурбовоз можно считать даже
более перспективным, чем атомный паротурбовоз. Действи-
7*	91
тельно, вода (пар) не является транспортным рабочим телом дви-
гателей: воду нужно возить на локомотиве, очищать, конденсиро-
вать в довольно сложных и громоздких установках; учитывая боль-
шой вес реактора, комбинация его на локомотиве с паровым
двигателем получается (особенно для больших мощностей) очень
тяжелой. Этих недостатков, как мы уже знаем, не имеет газотур-
бинная установка.
Познакомимся с простейшими схемами локомотивных атом-
ных газотурбинных установок.
На рис. 68 показана схема прямого воздушного никла газо-
турбинной установки с атомным реактором. Атмосферный воздух
сжимается в осевом компрессоре и поступает в атомный реактор.
Проходя реактор, сжатый воздух нагревается за счет тепла, вы-
Рис. 68. Схема прямого воздушного цикла газотурбинной
установки с атомным реактором
деляющегося при внутриатомной реакции, и далее поступает для
расширения в газовую турбину. Рассмотренная схема является
простейшей, однако осуществление ее практически невозможно.
Дело заключается в том, что проходящий через реактор воздух
становится радиоактивным и, следовательно, опасным для живых
организмов.
Более безопасной, но и более сложной является схема газотур-
бинной установки с атомным реактором (рис. 69) в условиях так
называемого двухконтурного процесса. В этой схеме тепло, выде-
ляющееся в атомном реакторе, передается жидкости, циркулиру-
ющей в замкнутом контуре — насос, реактор, теплообменник, на-
сос. Эта жидкость передает через стенки теплообменника тепло
сжатому воздуху, идущему от компрессора к газовой турбине.
В данном случае воздух, выбрасываемый из турбины, уже не яв-
92
ляется зараженным, так как он непосредственно не соприкасается
с жидкостью, проходящей через реактор.
Мы видим, что в рассмотренной схеме реактор и теплообмен-
ник выполняют роль как бы воздушного котла, только работаю-
щего на ядерном топливе. Но если это так, то, очевидно, можно
повысить коэффициент полезного действия такого локомотива пу-
Рис. 69. Схема газотурбинной установки с атомным реактором
и жидкостным охлаждением
тем перехода к двухступенчатому сжиганию топлива (как это
делается на атомных электростанциях) или осуществить замкнутый
воздушный цикл. Последнее позволяет вместо воздуха применить
например, гелий и тем самым повысить экономичность и компакт-
ность газотурбинной установки и локомотива в целом.
Схема возможного размещения оборудования на атомном газо-
турбовозе показана на рис. 70.
В чем же основное достоинство атомных газотурбовозов и ка-
ковы их возможные характеристики? Для ответа на этот вопрос
воспользуемся некоторыми данными, помещенными в американском
журнале «Railway Locomotives and Cars» за июль 1955 года
(табл. 3).
93
Таблица 3
Сравнительные экономические данные современных
тепловозов и атомного газотурбовоза мощностью 3 000 л. с.
	Тепловозы	Атомный газотурбо воз
Коэффициент полезного действия локомотива		
в % 		28	16
Годовой пробег локомотива в км 		230 000	230 000
Количество топлива на одну заправку в кг . . Возможное использование заправленного топли-	6 350	15
ва в %		100	20
Время между заправками локомотива		1 день	1 ,87 года
Стоимость 1 кг топлива в долларах 		0,0315	16 000
Стоимость топлива в год в долларах 		57 500	127 700
Стоимость топлива на 1 км пробега в долларах Стоимость годовой эксплуатации локомотива	0,25	0,56
в долларах 	 		135 200	347 233
Стоимость 1 км пробега в долларах 		0,587	1.5
Как видно из приведенных данных, атомный газотурбовоз в
том виде, каким он может быть выполнен в настоящее время, значи-
тельно уступает по экономичности тепловозам. И все же у этого
Рис. 70. Схема атомного газотурбовоза
локомотива есть одно замечательное свойство — набор ядерного
топлива осуществляется почти раз в два года. Конечно, в этом
отношении с атомовозом не может сравниться ни один тип авто-
номного локомотива.
Атомный газотурбовоз еще не начал своего существования.
Однако нет сомнения в том, что в недалеком будущем мощные и
высокоэкоиомичные локомотивы с газовой турбиной и атомным
котлом станут реальными конкурентами всем видам тяги на же-
лезнодорожном транспорте.
ГЛАВА 3
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОТУРБОВОЗОВ
НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ СССР
Сравнительные характеристики газотурбовозов и других видов
локомотивов
В настоящее время имеются следующие основные виды локомо-
тивов железнодорожного транспорта: паровозы, паротурбовозы,
тепловозы, газотурбовозы и электровозы.
При сравнении локомотивов их прежде всего классифицируют
по признаку автономности и по роду используемого топлива.
Под автономными понимаются такие локомотивы, в которых
происходит полностью весь процесс преобразования химической
энергии топлива в механическую работу, совершаемую локомоти-
вом. Требование автономности является одним из очень важных для
железнодорожного транспорта. К автономным локомотивам от-
носятся паровозы, паротурбовозы, тепловозы и газотурбовозы.
Действительно, каждый из этих локомотивов работает как само-
стоятельная (автономная) теплосиловая установка: он сжигает (в
котле, цилиндре двигателя или в камере сгорания) топливо, отдает
тепло рабочему телу (воде или воздуху), рабочее тело совершает
работу и эта работа с помощью передачи (электрической, механи-
ческой ит. п.) передается на колеса локомотива и расходуется на
ведение поезда. Совершенно очевидно, что требование автоном-
ности покупается определенной ценой, так как весь комплекс
агрегатов должен быть смонтирован в каждом локомотиве в усло-
виях чрезвычайно стесненных габаритов подвижного состава. И
эта цена — сложность конструкции, эксплуатации, ремонта, и, в
ряде случаев, пониженная экономичность.
Электровозы являются несколько иным типом локомотивов, —
это неавтономные локомотивы. Преобразование химической энер-
гии топлива в электрическую происходит на электростанции; далее
эта электрическая энергия передается по высоковольтной сети на
тяговые подстанции, в контактную сеть и, наконец, с помощью тя-
говых электродвигателей передается движущим осям локомотива.
Таким образом, силовая установка электровоза является лишь
95
электрической передачей энергии от тепловой станции к осям ло-
комотива. Такое разделение элементов энергетической установки
оказывается рациональным по многим соображениям. Прежде
всего, стационарные тепловые станции имеют возможность раз-
мещения агрегатов весьма больших мощностей, могут применить
высокие давления и температуры рабочего тела, а также исполь-
зовать все известные тепловые усовершенствования (конденсацию
пара, воздухо- и водоподогрев и т. п.), поэтому коэффициент полез-
ного действия их оказывается достаточно высоким. Главное же,
электровоз обладает очень существенными эксплуатационными
достоинствами: это локомотив, который не требует набора топлива,
«е расходует энергии на стоянках и холостом ходу, прост и удобен
в эксплуатации. В небольших габаритах могут быть созданы очень
мощные электровозы.
Коэффициент полезного действия электровозов (с учетом к. п. д.
тепловой станции, передачи, подстанций и т. п.) около 16—18%,
однако он существенно повышается при использовании дешевой
энергии от гидроэлектростанций.
Электровозы — наиболее перспективные локомотивы. Однако
было бы неправильно думать, что электрификация железных дорог
исключает необходимость создания мощных и экономичных авто-
номных локомотивов. Следует иметь в виду, что электрификация
железных дорог требует значительных капиталовложений и эко-
номически выгодна лишь при определенной грузонапряженности.
При сравнении и оценке перспектив различных типов автоном-
ных локомотивов необходимо учитывать следующие основные
показатели: вид потребляемого топлива, экономичность, простоту
конструкции, ремонта и эксплуатации, возможность создания ло-
комотива большой мощности при небольших его размерах (этот
показатель характеризуется величиной отношения длины и веса
L мм	G кг\*
локомотива к его мощности: ------- и -------, необходимость
NK л. с.	NK л.с.1
для эксплуатации локомотива специальных железнодорожных
устройств. Паровоз как локомотив имеет целый ряд достоинств:
он прост и безотказен в работе, расходует самые дешевые сорта
твердого топлива. Однако паровоз из-за его весьма низкой эко-
номичности заменяется новыми типами локомотивов.
В решениях XX съезда КПСС указано на необходимость са-
мого широкого внедрения на железнодорожном транспорте элек-
тровозной и тепловозной тяги.
Мы уже ранее вкратце познакомились с особенностями устрой-
ства современных тепловозов. Тепловоз это локомотив, у ко-
торого основным двигателем является поршневой двигатель внут-
* L — длина, G — вес, N— касательная мощность, или мощность на
ободе колес локомотива.
96
реннего сгорания, использующий жидкое моторное топливо. Для
повышения мощности и экономичности в тепловозных двигателях
осуществляется газотурбинный наддув; в большинстве современ-
ных тепловозов мощность к движущим колесам передается с помощью
электрической передачи постоянного тока.
Тепловоз в настоящее время имеет наилучшие показатели срав-
нительно с другими автономными локомотивами. Коэффициент
полезного действия тепловоза составляет 26—28%; он почти не
расходует воды (только на охлаждение двигателей), мало потреб-
ляет топлива на стоянках и холостом ходу, имеет большие пробеги
между наборами топлива и т. п.
Нельзя, однако, забывать, что тепловозы расходуют высоко-
качественное дизельное топливо. В связи с этим возникла довольно
сложная проблема перевода тепловоза на твердое топливо. Эта
задача решается в настоящее время путем предварительной гази-
фикации некоторых сортов антрацита. Газогенераторные тепло-
возы, как уже отмечалось нами, работают на твердом и частично
жидком топливах и к. п. д. их составляет около 15—16%. Наличие
газогенератора снижает маневренность тепловоза. Возрастают его
размеры и вес, требуется более частая экипировка. Мы видим, что
от вида используемого топлива весьма существенно зависят все
основные показатели локомотива.
Теперь познакомимся с тем, какое место среди автономных ло-
комотивов занимают газотурбовозы.
Прежде всего, остановимся на газотурбовозах, работающих на
жидком топливе. Их, очевидно, нужно сравнивать с тепловозами.
Коэффициент полезного действия газотурбовозов с сжиганием
жидкого топлива в камерах сгорания при современном состоянии
с жаропрочными сплавами для лопаток турбин около 16—17%,
а в эксплуатационных условиях еще ниже — 12—13%, т. е. при-
мерно в 2 раза ниже, чем у тепловоза. Однако газотурбовозы ис-
пользуют низкосортное жидкое топливо — мазуты, стоимость
которых примерно в 2 раза меньше стоимости дизельного топлива,
потребляемого тепловозами. Это значит, что с экономической точ-
ки зрения применение газотурбовозов оправдывается даже на-
ряду с высокоэкономичным тепловозом. Нельзя также забывать,
что с повышением жаропрочности сплавов или при решении проб-
лемы охлаждения лопаток турбины коэффициент полезного дей-
ствия газотурбовоза может значительно повыситься, достигнув уров-
ня экономичности тепловоза.
Газотурбовоз очень выгодно отличается от тепловоза расходом
смазки, так как расход смазки на двигатель внутреннего сгорания
тепловоза в 5—6 раз больше, чем на газотурбинную установку.
Особенно большим достоинством газотурбовозов является их вы-
сокая удельная мощность. Мы уже знаем, что, например, мощность
американских газотурбовозов последнего заказа дороги Юнион-
Пасифик составляет 7 000 л. с., а для получения такой же мощности
нужно соединить 5 секций наиболее мощного тепловоза ТЭЗ. Двух-
97
Схема локомотива
Таблица 4
Насательн. мощность Nk лс	Длина L м	Полным вес 5 1	Поромний вес 6о 1	Нагрузка		Удельные величины			кп.	Ц°/о	топливо
				тонн сцепи.ось	Tl L М	L мм Нн лс	6 нг Йь М	ft нг Н„ лс	NHOOi	Н-опт	
2720	25.6	205	106	18.0 19,0	8.3	9.0	75	50	7,6	9.2	Уголь
3060	30.6	290	197	2.2.5	9.5	Ю.О	95	60	(6.6)	(7.9)	Уголь
0800	38,2	382	267	20 21,2	10,0	7,8	80	56	7,3	8.6	Уголь
3900	09,1	532	020	30,5	10.8	>2.6	136	109	11.0	(Р’^ Ж	т Виту- ми ноз - ный уголь
3620	30.5	338	7.60	22.0	9.8	9.5	93	73	11,3	(рЗОо 1>5$0°С	и \ Уголь
3000 3070	57,8	308	319	21.7	7.3	15,9	116	108	25,5	28,0	Дизель- ное
	33,9	252	237	21,0	7,0	11,0	82	77	27,5	28,5	Дизель ное
1500	36,0	252	202	21,7	7.0	20,2	168	161	(15,0)	(16,0)	Уголь ДМ* +дизель- ное
3800	25,5 (75,0)	236 (250)	212 (226)	29,5 (31,2)	9,3 9,8	6,7 (е,7)	62 (66)	56 (59)	16,0	17,5	Мазут
2500	20,0	131	126	21,9	6,0	8,2	52	50	16,0	<7,5	Газойль
5000	50	278	256	23,2	7.0	7.0	51	08	16-15,5	-	Мазут
5080	37,3	285	269	23,8	7.6	7.3	56	53	29	-	Дизель- ное
3000	20,9	172	162	22,3	6.9	8,3	57 (65)	50	10,5	16,0	Уголь + +мазут
99
секционный газотурбовоз мощностью 5 400 л. с., создаваемый Ко-
ломенским заводом, может на девятитысячном руководящем подъ-
еме обеспечить ведение состава весом 4 000 т со скоростью 30 км
в час, в то время как двухсекционный тепловоз с той же скоростью
может вести состав весом около 2 500 т.
Весьма благоприятные характеристики имеют газотурбовозы с
безвальными поршневыми генераторами газов. Их коэффициент по-
лезного действия тот же, а может быть несколько более высоким, чем
у тепловозов. Газотурбовозы этого типа пока что проектируются
на дизельное топливо, однако они имеют перспективы использо-
вания более тяжелых моторных топлив и, следовательно, могут
оказаться экономически более выгодными, чем тепловозы. В от-
ношении весовых характеристик, расходов смазки и т. д. газо-
турбовозы с безвальными поршневыми генераторами имеют при-
мерно те же данные, что и тепловозы.
Успешное решение проблемы использования твердого топлива
в локомотивных газотурбинных установках сможет привести к
широкому распространению газотурбовозов на железнодорожном
транспорте. Коэффициент полезного действия газотурбовоза на
твердом топливе может быть достигнут порядка 14—15%, т. е.
примерно вдвое больше, чем у паровоза. Если при этом учесть, что
с внедрением таких газотурбовозов совершенно исключается слож-
ная проблема водоснабжения и водоподготовки, то станет ясно,
насколько экономически выгодными окажутся такие локомотивы.
В табл. 4 приведены сравнительные характеристики газотур-
бовозов с другими видами автономных локомотивов. Из этих дан-
ных прежде всего особенно наглядно видно, насколько малые раз-
меры имеют мощные газотурбинные локомотивы. Отношение длины
локомотива к его мощности (L/NK) у газотурбовозов составляет
7—8 мм на 1 л. с., у паровозов 8—10, а у тепловозов 10—15. Та-
кая же картина получается и с удельными весовыми характери-
стиками газотурбовозов. Отношение веса локомотива к его мощ-
ности (G/NK) у газотурбовозов составляет 50—65 кг на 1 л. с., у
паровозов 75—100 и у тепловозов 80—115.
К положительным особенностям газотурбовоза следует также
добавить простоту и гибкость управления такими локомотивами
и отсутствие в его машине неуравновешенных частей, что снижает
вредные воздействия на путь.
Перспективы газотурбовозов как локомотивов на железных
дорогах СССР
Итак, мы видим, что газотурбовозы как локомотивы железно-
дорожного транспорта имеют целый ряд достоинств. Это, прежде
всего, очень мощные локомотивы. По тепловым экономическим
показателям они занимают пока что промежуточное положение меж-
ду паровозами и тепловозами, однако имеется возможность даль-
нейшего повышения их коэффициента полезного действия.
100
При оценке перспектив применения газотурбовозов, особенно
на жидком топливе, не следует противопоставлять их тепловозам.
Ведь эти локомотивы будут расходовать разные виды жидкого топ-
лива. В камерах сгорания газотурбовозов возможно сжигать высоко-
сернистые и парафинистые мазуты, т. е. то, что невозможно сжечь
в цилиндрах дизелей. Весьма широкий ассортимент продукции,
вырабатываемой нашей нефтяной промышленностью, позволяет
считать, что газотурбовозы и тепловозы будут дополнять друг
друга в рациональном использовании имеющихся топливных ре-
сурсов.
Каковы же наиболее рациональные области применения газо-
турбовозов? Ответ на этот вопрос дает рассмотрение следующих
особенностей газотурбовозов. Высокая мощность газотурбовозов
делает целесообразным применение их для вождения тяжеловес-
ных маршрутов. Это также определяется и тем, что с понижением
нагрузки экономичность газотурбинной установки сильно сни-
жается; большой расход топлива имеют газотурбовозы и на холо-
стом ходу. Примером использования газотурбовозов является
эксплуатация их на дорогах Юнион-Пасифик в США. Там газо-
турбовозы используются для вождения тяжеловесных безостано-
вочных маршрутов, местную же работу выполняют тепловозы,
для которых не имеет столь существенного значения резко пе-
ременный режим работы.
Не менее важной особенностью рабочего процесса газотурбово-
зов является также очень резкая зависимость их коэффициента
полезного действия и мощности от температуры наружного воздуха.
Чем ниже температура окружающего воздуха, тем выше мощность
и экономичность газотурбовоза. Мы уже знаем, что зимой к. п. д.
газотурбовоза примерно на 2% выше, чем летом, а мощность может
вырасти почти в полтора раза. Это значит, что применение газо-
турбовозов наиболее рационально в северных и восточных районах
нашей страны, имеющих низкую среднегодовую температуру воз-
духа.
Выполняя решения XX съезда КПСС, наша промышленность
приступила к созданию мощных газотурбовозов. В ближайшие
годы по железным дорогам Советского Союза пойдут первые отече-
ственные газотурбовозы.
ЛИТЕРАТУРА
ПО ГАЗОВЫМ ТУРБИНАМ И ГА30ТУРБ0В03АМ
1.	Абианц В. X. Теория авиационных газовых турбин. Гос. издатель-
ство оборонной промышленности, 1953.
2.	Белоконь Н. И. Турболокомотивы. Журнал «Техника железных
дорог» К» 3, 1955.
3.	Белоконь Н. И. Газотурбинные локомотивы. Журнал «Железнодо-
рожный транспорт» № 4, 1955.
4.	Блюдов В. П. Газовые турбины. Госэнергоиздат, 1948.
5.	Жир и цк ий Г. С. Газовые турбины. Госэнергоиздат, 1948.
6.	Иноземцев Н. В. Авиационные газотурбинные двигатели. Теория и
рабочий процесс. Гос. издательство оборонной промышленности, 1955.
7.	Кириллов И. И. Газовые турбины и газотурбинные установки.
Гос. научно-техническое издательство машиностроительной литературы,
т. 1 и 2, 1956.
8.	Курочкин Н. Н. Камеры горения газотурбинных двигателей. Гос-
энергоиздат, 1955.
9.	Ляпунов Б. В. Газовая турбина. Госэнергоиздат, 1951.
10.	Николаев И. И. Газотурбовозы. Трансжелдориздат. 1955.
11.	СичиковМ. Ф. Металлы в турбостроении. Гос. научно-техническое
издательство машиностроительной литературы, 1954.
12.	Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели (кон-
струкция и расчет деталей). Гос. издательство оборонной промышлен-
ности, 1955.
13.	Сойер Т. Газовые турбины. Машгиз, 1947.
14.	Стечкин Б. С. Газотурбинные установки (газовые турбины). Изда-
тельство Академии наук СССР. 1956.
15.	У в а р о в В. В. Газовые турбины. Госэнергоиздат, 1935.
16.	Шнеэ Я. И. Теория газовых турбин. Машгиз, 1955.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие ................................................. 3
Введение .................................................... 5
Глава 1
Общее понятие о газовой турбине
Принцип работы турбины ...................................... 7
Основные типы и конструкция газовых турбин ................ .	17
Турбокомпрессоры ............................................25
Глава 2
Особенности рабочего процесса и конструкции современных
газотурбовозов
Принципиальные схемы локомотивных газотурбинных установок . . 36
Газотурбовозы с сжиганием жидкого топлива в камерах сгорания . 41
Газотурбовозы с безвальными поршневыми генераторами газов ... 64
Проблема создания газотурбовоза на твердом топливе ............ 75
Газотурбовоз с воздушным котлом.................................77
Газотурбовоз с двухступенчатым сжиганием топлива .............. 79
Газотурбовоз с сжиганием угольной пыли в камерах сгорания . . 83
Газотурбовоз с газификацией твердого топлива под давлением ... 88
Проблема атомного газотурбовоза.................................91
Глава 3
Перспективы применения газотурбовозов на железных дорогах СССР
Сравнительные характеристики газотурбовозов и других видов ло-
комотивов ....................................................95
Перспективы газотурбовозов как локомотивов на железных дорогах
СССР.........................................................100
Литература по газовым	турбинам и газотурбовозам.	102
Евгений Тарасович Бартош
ГАЗОТУРБИННЫЕ ЛОКОМОТИВЫ
Обложка художника А. М. Азерского
Технический редактор Е. И. Боброва	Корректор В. Ф. Малькова
Сдано в набор 26/XI 1956 г. Подписано к печати 26/1 1957 г.
Формат бумаги 60x92*/,,.	Печатных листов 6,5.	бум. листов 3'/t
учётно-изд. листов 6,72. Тираж 5000 Т01120 ЖДИЗ 15764. Зак. тип. 1098.
Цена 2 р. 35 к.
ТРАНСЖЕЛДОРИЗДАТ, Москва, Басманный туп., 6а
1-я типография Транс же лдориздата МПС. Москва, Б. Переяславская, 46.
ВСЕСОЮЗНОЕ ИЗДАТЕЛЬСКО-ПОЛИГРАФИЧЕСКОЕ
ОБЪЕДИНЕНИЕ «Т Р АН СЖ Е Л Д ОР И 3 Д АТ» МПС
ИМЕЮТСЯ В ПРОДАЖЕ КНИГИ
ДЛЯ РАБОТНИКОВ локомотивного
ХОЗЯЙСТВА
Концевич Л. Е. Поворотные устройства для локомотивов.
Устройство, эксплуатация и ремонт. Изд. 2-е, перераб. 1955.
164 стр. Ц. 6 р. 65 к.
Опыт работы машинистов-тяжеловесников. Сборник статей.
1954. 168 стр. Ц. 3 руб.
Паровозы. Общий курс конструкций и элементы теории. Под
ред. А. А. Чиркова. Изд. 2-е, перераб. Учебник для вузов. 1953.
696 стр. Ц. 22 р. 50 к.
Технический справочник железнодорожника. Том 6. Подвиж-
ной состав. 1952. 954 стр. Ц. 20 руб.
Технический справочник железнодорожника. Том 7. Локомо-
тивное и вагонное хозяйство. 1953. 567 стр. Ц. 20 руб.
ПРОДАЖА ЛИТЕРАТУРЫ ПРОИЗВОДИТСЯ
отделениями Трансжелдориздата при управлениях дорог, их
инструкторами по распространению печати на узлах, в вагонах-
клубах, вагонах технической пропаганды, в магазине «Железно-
дорожная книга» (Москва).
НАЛОЖЕННЫМ ПЛАТЕЖОМ
литературу высылает отдел «Книга — почтой»
магазина «Железнодорожная книга»
(Москва Б-78, Садово-Спасская ул., д. 21)