Конструкционные особенности газотурбовозов

Содержание

 
Введение

1.Преимущества газотепловозной  тяги

1.1. Экономические  выгоды использования газотепловозной  тяги

1.2. Недостатки дизелей

1.3. Преимущества  газотурбинных двигателей

2. Газотурбовозы

2.1. Газотурбинный  двигатель

2.2. Современные  газотурбовозы

2.3. Альтернативные  виды топлива

2.4. Область применения  газотурбовозов

3. Конструкционные  особенности газотурбовозов

3.1. Передача на  газотурбовозе

3.2. Конструкция  газотурбовоза

3.3. Расход топлива

Заключение

Библиографический список

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В XXI веке газотурбинная  тяга снова появляется на железнодорожных  линиях. Развитие на протяжении прошедшего столетия авиационных ГТД позволило  буквально сделать революцию  в самолетостроении. Менее активно  внедрялись газотурбинные двигатели  в наземном транспорте, в частности, железнодорожном. Здесь ведущими при  оценке эффективности нового вида тяги были вопросы тепловой экономичности  первичных двигателей, а также  их надежности. В те годы на автономных локомотивах прочные позиции  уже завоевал дизель с газотурбинным  наддувом, имеющий высокий КПД (37 — 38 %) и по тем временам вполне отвечающий требованиям железнодорожного транспорта по агрегатной мощности в секции.

Вполне понятно  поэтому, что при создании первых газотурбовозов речь шла, прежде всего, о проверке эксплуатационных качеств  ГТД в условиях резко переменных режимов их работы. Несомненно, учитывались  также перспектива дальнейшего  повышения кпд газотурбинного двигателя, возможность создания автономных локомотивов  большой мощности. За последние годы в области отечественного и зарубежного  дизелестроения достигли существенного  снижения расходов на топливо и масло, повышения кпд дизеля (до 42 — 44 %).

В США дизелестроительные фирмы за последние 20 — 25 лет значительно  снизили (до 25 %) расход топлива на тягу, что позволило сэкономить сотни  миллиардов долларов.

Чтобы догнать США, потребуется 10 — 15 лет, а стоит ли тратить время на эти работы, а  не лучше ли направить усилия на применение на автономном подвижном составе новых типов силовых установок? Анализ показывает, что в настоящее время наиболее готовыми к применению на железнодорожном транспорте являются газотурбинные двигатели четвертого поколения (созданные для военно-промышленного комплекса), специально переработанные для нужд наземного транспорта.

Работы по использованию  природного газа в качестве топлива  для газотепловозов проводятся в  ОАО "РЖД" начиная с 1984 г. C учётом размеров разведанных запасов природного газа, значительно превышающих разведанные  запасы нефти, создание перспективного подвижного состава железных дорог  будет ориентировано на топливно-энергетические ресурсы, обеспеченные в стране на длительную перспективу. Природный газ относится  к их числу.

Эффективность газотепловозной  тяги будет определяться объёмами замещения  дорогостоящего дизельного топлива  на значительно более дешевое  газомоторное топливо (сжиженный и  сжатый природный газ), а также  экологическими преимуществами газового топлива, что особенно важно при  эксплуатации в крупных транспортных узлах.

За рубежом в  практике локомотивостроения последних  лет для турбопоездов и скоростных газотурбовозов применяют авиационные  двигатели, приспособленные к условиям железных дорог. Так как газотурбинному двигателю на локомотиве предстоит  конкурировать с дизелем, то вопросы  экономичности, надежности и срока  службы — первостепенные.

В настоящее время  принципиальным является выбор параметров газотурбовоза и газотурбинного двигателя. Ряд специализированных предприятий в России готовы разработать, изготовить опытные образцы и  поставлять специальные ГТД для  газотурбовозов. Подготовлены технические  предложения как применить газотурбинные  двигатели на подвижном составе. В основном они выполнены по одновальной  схеме с регенератором. Работа ГТД предусмотрена на газе — может использоваться как сжатый газ, так и сжиженный.

Характеристики  удельного расхода топлива дизелем  Д49 (1-9ДГ) мощностью 2206 кВт, замеренные на тепловозе, а также ориентировочные (расчетные) газотурбинными двигателями  №1 и №2 мощностью соответственно 4 и 6 тыс. кВт (рис. 1). В связи с отсутствием  опытных образцов таких двигателей расход топлива на холостом ходу и  потребность в масле не определены.

 

Рис. 1. Характеристики удельного расхода топлива в  зависимости от мощности

Учитывая особенности  газотурбинного двигателя — большую  мощность при малом весе — возможно создание автономного локомотива с  параметрами по тяге и скорости, равноценного перспективному электровозу, и даже превосходящего его, что недоступно тепловозу.

 

1.Преимущества  газотепловозной тяги

 

1.1 Экономические  выгоды использования газотепловозной  тяги

 
Применение природного газа в качестве моторного топлива имеет для  ОАО "РЖД" весьма актуальное значение. Затраты на дизельное топливо  для тепловозов составляют около 20% общих эксплуатационных расходов в  локомотивном хозяйстве компании. В  условиях жёсткого тарифного регулирования  ОАО "РЖД" вынуждены искать пути снижения себестоимости перевозок  с целью повышения конкурентоспособности  на рынке транспортных услуг. Применение природного газа в качестве моторного  топлива при определённых условиях может дать значительную экономию средств  направляемых на энергоносители.

Это преследует несколько  целей: экономию средств на приобретение топлива, поскольку цена эквивалентного количества газа значительно (до 50 %) ниже, чем дизельного топлива; снижение вредных  выбросов в атмосферу с выпускными газами дизелей, так как при работе на природном газе их токсичность  значительно ниже, чем при работе на дизельном топливе, а дымность (сажа) меньше на порядок; обеспечение  устойчивого топливоснабжения тепловозов в перспективе с учетом динамики изменения добычи нефти и газа, их сравнительных запасов и прогнозов  истощения месторождений.

Актуальность этой проблемы определена правительственными документами: федеральной целевой  программой «Топливо и энергия» и  Концепцией энергетической политики России в новых экономических условиях.

Расчёты показывают, что суммарное замещение дизельного топлива природным газом на железнодорожном  транспорте может составить около 1 млн. т/год, а потребность в природном  газе - 1,2 млрд. м3/год.

1.2 Недостатки  дизелей

 
За последние 20 лет промышленностью  достигнуто значительное улучшение  технико-экономических показателей  дизельных силовых установок.

Так, у современных  дизелей максимальное давление сгорания достигает 18,0...25,0 МПа, что позволяет  реализовать индикаторный КПД на уровне 0,55. Это соответствует удельному  индикаторному расходу топлива 154 г/(кВт·ч). С учетом максимально возможного механического КПД дизеля 0,9 минимальный  удельный расход топлива составляет 170 г/(кВт-ч). Кроме механических потерь, существуют затраты энергии на охлаждение (4...6 %). Реально на локомотивах может  быть реализован максимальный эффективный  КПД η_е=0,47(179г/(кВт·ч)).

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.

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.

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.

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).