Газотурбовоз - перспективный вид тяги

Дальнейшее увеличение параметров цикла нецелесообразно из-за значительных потерь, связанных со свойствами реальных газов и ростом влияния вредного пространства камеры сгорания на показатели работы двигателя. Кроме того, возрастают трудности смесеобразования и токсичность выпускных газов. На фоне возрастающих требований к снижению токсичности выпуска, последнее обстоятельство является достаточно

существенным. Появляется необходимость снижения экономичности и установки систем очистки выпуска с подогревом выпускных газов на режимах частичных нагрузок. Это приведет к потере экономичности двигателя еще на 2 .3 %. Таким образом, можно считать, что в перспективе экономичность дизельных двигателей не будет лучше 175 г/(кВт·ч). Удельный вес дизелей может снизиться в 1,5 .2 раза за счет увеличения быстроходности, однако всегда останется необходимость смены форсунок и поршневых колец. Затраты на обслуживание и ремонт дизелей составляют более 50 % всех затрат на обслуживание и ремонт тепловозов. Затраты связаны не только с приобретением запасных частей, но и с тяжелым физическим трудом, не поддающимся механизации и автоматизации.

1.3 Преимущества газотурбинных двигателей

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

Анализ показывает, что в настоящее время наиболее готовыми к применению на железнодорожном транспорте являются газотурбинные двигатели четвертого поколения, специально переработанные для нужд наземного транспорта. Не случайно в США в 2000 г. был выпущен на испытания пассажирский локомотив с газотурбинным двигателем.

Привлекают низкие весовые и габаритные показатели ГТД, конвертируемость на природный газ, пропанобутановые смеси и жидкие топлива, получаемые из природного газа, высокая экологическая эффективность (выбросы вредных веществ при работе ГТУ в 15-20 раз ниже, чем при работе дизелей), малая трудоемкость текущего обслуживания, отсутствие ряда вспомогательных систем, присущих дизельным установкам, возможность повышения эффективного К.П.Д. до 50% и более при применении регенерации тепла, возможность использования твердых топлив при переводе на цикл с внешним подводом тепла и др.

Конечно, сдерживающим фактором является высокая цена таких двигателей. Однако по нашим расчетам стоимость жизненного цикла локомотива с ГТУ при применении природного газа или пропанобутановых смесей в 1,5-2,0 раза ниже: чем стоимость жизненного цикла тепловоза, работающего на дизельном топливе. При расчетах не учитывался дополнительный эффект, связанный со снижением выбросов вредных веществ и платой за нарушение экологических требований [22].

Достигнутый в настоящее время КПД тепловоза не превышает 32 % (обычно 27 — 30 %) и ограничивается, главным образом, величиной КПД первичного двигателя, т.е. дизеля. Возможности его совершенствования в настоящее время исчерпаны. Об этом свидетельствует тенденция изменения характеристик дизелей: за последние 30 лет среднеэксплуатационный КПД увеличился менее чем на 3 %.

Дизель (а также газодизель) — это тепловой двигатель, и его КПД ограничен величиной КПД цикла Карно. Поэтому повышения КПД увеличением максимальной рабочей температуры цикла добиться не удается, так как начинается термическая диссоциация молекул. Кроме того, снижается прочность деталей и их ресурс, что также накладывает ограничение. Температура выхлопных газов определяется степенью последующего расширения, которая, в свою очередь, ограничена габаритами дизеля и рядом других параметров, не позволяющих эту температуру существенно понизить.

Таким образом, единственная возможность значительно улучшить характеристики тепловоза - это отказ от теплового двигателя в пользу химических источников тока - топливных элементов (ТЭ), непосредственных преобразователей химической энергии топлива в электрическую. В сущности, ТЭ отличаются от обычных гальванических элементов лишь непрерывным подводом веществ, вступающих в токообразующую реакцию, и таким же непрерывным их отводом.

Следует отметить, что топливные элементы не являются тепловым двигателем, и их КПД не ограничен циклом Карно, т.е. он теоретически может достигать 100 % (практически достигнутые значения — 60 - 80%). Более того, специфика токообразующих реакций такова, что электрическая работа может быть больше теплового эффекта реакции.

Построены и испытываются опытные образцы новой техники. Известны проекты применения ТЭ на городском транспорте. Существуют разработки стационарных теплоэлектростанций, в которых использование твердого топлива обеспечивается путем его газификации в газогенераторах, совмещенных с высокотемпературными ТЭ. Этот же путь (предварительная газификация) может быть использован и на передвижных энергетических установках [3].

Таким образом, перспективой на ближайшие 5-10 лет могут стать газотепловозы, а повсеместный переход на газотурбинную тягу в мире произойдет в 20-30-е годы, которую потом заменят тепловозы на ТЭ.

2. Газотурбовозы

2.1 Газотурбинный двигатель

Газотурбинный двигатель – тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс газотурбинного двигателя может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объеме [4].

По своему предназначению газотурбинный двигатель (ГТД) — машина транспортная, поэтому при выборе типа силовой установки для первых типов локомотивов ему было уделено достаточно много внимания. Начало использования газотурбинных двигателей на железнодорожном транспорте практически совпало с внедрением их в самолетостроении. Если высокая удельная мощность такого типа двигателей обеспечивала им преимущество перед поршневыми в авиации, то в локомотивостроении они в то время не могли конкурировать с высокоэкономичными тепловозными дизелями.

В последние годы тепловая экономичность газотурбинных двигателей значительно повысилась и уже вплотную приблизились к поршневым. Поэтому, естественно, снова возрастает интерес к использованию газотурбинной тяги на железнодорожном транспорте.

Впервые в мире локомотив с ГТД (газотурбовоз) № 1101 мощностью 1618 кВт (2200 л.с.) был построен в 1941 г. в Швейцарии фирмой «Браун-Бовери» для Швейцарских федеральных железных дорог. Газотурбинный двигатель (рис. 2) представлял собой одновальную силовую установку с регенерацией тепла уходящих газов, смонтированный на одной раме с редуктором и генератором постоянного тока. Рама также служила резервуаром для топлива и масла. Технические характеристики первых газотурбовозов и их газотурбинных двигателей (табл. 1).

Рис.2. Газотурбинный двигатель газотурбовоза №1101

Таблица 1

Основные технические данные газотурбовозов, которые были построены первыми в различных странах

 Скачать реферат