- эксплуатация в прибрежных районах с высокой вероятностью обледенения и обмерзания токопровода (особенно Ленинградская область и Дальний Восток);

- снижение массы локомотива по сравнению с электровозом позволяющее осуществлять проводку пассажирских (скоростных) поездов по линейным грузовым магистралям;

- использование на новых скоростных магистралях, что обеспечивает удешевление и ускорение строительства и ускорение окупаемости дороги.

3. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГАЗОТУРБОВОЗОВ

3.1 Передача на газотурбовозе

Другая принципиально важная задача в проектировании газотурбовоза — выбор типа передачи мощности от газотурбинного двигателя к колесным парам локомотива. Возможно применение всех типов передач — механической бесступенчатой, гидромеханической и электрической: переменно-постоянного, переменно-переменного тока с преобразователем частоты и переменно-переменного (рис. 4).

Рис. 4. Схема ГТД с электрической передачей переменно- переменного тока

К — компрессор; Per — регенератор; Кс — камера сгорания; Т — турбина; Р - редуктор; СГ — синхронный тяговый генератор; ВГ — вспомогательный генератор; Пр — преобразователь частот; 1 —6 —асинхронные тяговые двигатели

Использование механической бесступенчатой и электрической передач постоянно-переменного тока требует, чтобы в составе газотурбинного двигателя была применена свободная тяговая турбина, т.е. агрегат, связанный с турбокомпрессором только газовой связью. Изменение крутящего момента на валу тяговой турбины полностью соответствует условиям тяги, что в свое время привлекло внимание ряда фирм, которые построили газотурбовозы с механической бесступенчатой передачей.

Внедрение электрической передачи переменно-переменного тока без преобразователей частоты — задача сложная, так как придется создавать специальный асинхронный тяговый двигатель с большим коэффициентом скольжения. Для этого надо будет проводить специальные теоретические и стендовые исследования.

3.2 Конструкция газотурбовоза

На железных дорогах России имеется ряд участков, где стыкуется электрическая и тепловозная тяга. Так как современные и перспективные тепловозы имеют мощность ниже, чем у электровозов, то приводимые электровозами составы приходится расформировывать и вывозить тепловозами по частям. Это экономически невыгодно. Необходим автономный локомотив, способный принять состав массой 6 тыс. т от электровоза и без переформирования доставить его до места назначения, обладающий параметрами по экономичности и надежности, которые не уступают тепловозу.

Таким локомотивом может стать газотурбовоз. Изготавливая его, желательно применить оборудование уже эксплуатируемых локомотивов. В том числе необходимо использовать электрическую передачу переменно-постоянного тока, как наиболее освоенную отечественной промышленностью.

Специалистами ВНИКТИ (г. Коломна) была проверена возможность компоновки оборудования газотурбовоза в кузовах электровозов: постоянного тока ВЛ10 и ВЛ15, а также переменного ВЛ60К и ВЛ80. Длина секции кузова электровозов ВЛ10 и ВЛ80 по автосцепкам составляет 16400 мм и недостаточна для размещения всего оборудования, кузова ВЛ60К — 20800 мм, а секции ВЛ15 — 22500. Тяговые двигатели электровоза ВЛ60К имеют мощность в длительном режиме 675 кВт, а ВЛ15 — 700. Наиболее подходящим является экипаж локомотива ВЛ15.

На газотурбовозе можно применить ряд узлов тепловоза 2ТЭ25, который разрабатывается ОАО «БМЗ» совместно с ВНИКТИ. Это следующее оборудование: кабина управления с унифицированным пультом и виброзащищенными креслами, микропроцессорная система управления и диагностики, блоки реостатного и тормозного оборудования, аппаратные камеры, вспомогательные преобразователи, блок тормозного компрессора, установки пожаротушения, водомасляные теплообменники, блоки фильтрации воздуха, поступающего для охлаждения тяговых двигателей. Осевые мотор-вентиляторы, нагнетающие воздух для охлаждения тяговых двигателей, — с электровоза ЭП200, вспомогательный дизель-генератор — завода «Звезда». То есть все оборудование, кроме газотурбинного двигателя и тягового генераторного агрегата, будет проверено на тепловозе, в настоящее время изготавливаемом ОАО «БМЗ».

Может вызвать вопрос необходимость установки вспомогательного дизель-генератора. Опыт эксплуатации отечественных газотурбовозов показал необходимость наличия такой установки. Она необходима для выполнения маневровых работ и подачи локомотива под состав, а также для запуска газотурбинного двигателя.

Если двигатель будет выполнен на подшипниках скольжения с масляным охлаждением, то после его выключения требуется прокачка масла через подшипники и медленное прокручивание ротора до полного остывания силового оборудования. Этот процесс может составлять 1 — 1,5 ч. Технология остановки ГТД должна быть проверена экспериментально. Применение вспомогательного дизель-генератора снизит расход топлива на газотурбинном двигателе, так как это позволит отключать его при длительных стоянках.

Сложная техническая задача — создание тягового и вспомогательного генераторов, установленных на одном валу. Кроме того, предстоит разработать систему регазификации (подготовки газа с температурой -162 °С до необходимых плюсовых температур и его давления перед подачей в камеру сгорания).

Специалистами ВНИКТИ определены основные требования, которые предъявляются к газотурбинному двигателю, устанавливаемому на экспериментальный газотурбовоз: мощность- 10000 кВт, КПД-40%, ресурс до капитального ремонта- 100 тыс. ч, расход топлива без нагрузки от расхода на полной мощности не более- 5%. На первом опытном образце предлагается установить освоенный промышленностью ГТД с КПД 26-27 %.

3.3 Расход топлива

В качестве топлива для газотурбовоза предполагается применить природный сжиженный или сжатый газ. Наиболее целесообразно использовать сжиженный, так как в этом случае не придется разрабатывать специальный тендер, а использовать цистерны, приспособленные под перевозку такого газа.

При этом пробег между заправками газотурбовоза будет в 2 раза больше пробега тепловоза. Только в данном случае всю необходимую аппаратуру для подготовки газа перед подачей в ГТД необходимо будет разместить на газотурбовозе. Постройка пилотного образца газотурбовоза позволит получить необходимые эксплуатационные данные и дать дорогу новому, более совершенному виду локомотива для железных дорог России.

Что касается расхода топлива при промежуточных режимах работы тепловоза и газодизеля, то, как следует из расходных характеристик (рис. 6), полученных при работе по дизельному и газодизельному циклам - удельный расход топлива при работе на природном газе с подачей запальной порции дизельного топлива почти на всех режимах ниже, чем при работе на дизельном топливе.

Удельный расход топлива g_e при работе в дизельном (1) и газодизельном (2) циклах, приведенный к условиям ТЗ по ИСО 3046/1 – 86 в зависимости от режима работы газодизеля (N_e , n_k )

Рис.5

Запас газа в тендерной секции составляет 17 тонн, что обеспечивает пробеги газотепловоза в 1,3-1,5 раза больше, чем у серийных тепловозов.

По проблеме применения природного газа на тепловозах реализуется программа доводки газовых двигателей, газового оборудования и систем безопасность.

Предварителные ТЭО внедрения газотепловозов на ряде железных дорог России при учете затрат и ценообразовании, сложившимся для рыночной экономики, а также государственном регулировании цены на газомоторное топливо в пределах 50% от стоимости дизельного, говорят о возможности окупаемости затрат на это мероприятие в течение 3-6 лет.

Программой ОАО «РЖД» предусматривается разработка, создание и эксплуатация в 2005 - 2007 годах опытной партии маневровых газотепловозов серий ЧМЭЗГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Газификация автономной тяги позволит резко снизить годовое потребление дизельного топлива (практически на 25 – 30 %, т. е. на 0,9 млн. т) к 2020 г. при планомерной реализации программы по использованию сжиженного и сжатого природного газа в качестве моторного топлива для тепловозов, разрабатываемой совместно ОАО «РЖД», ОАО «Газпром» и администрацией Свердловской области. Реализация программы должна быть начата с внедрения сжатого природного газа, так как при этом меньше затраты на инфраструктуру; затем по мере накопления опыта работы с газомоторным топливом будет решен вопрос о широком применении сжиженного газа. Характерно, что на сегодня индекс энергоэкономической эффективности перевозок на газе даже при предполагаемом двукратном повышении цены на газ приближается к единице, т.е. энергетическая составляющая перевозок на газе будет почти такой же, как на электрической тяге.

Применение газотурбинной тяги позволит решить проблему согласования тяговых характеристик автономного и электрического тягового состава по осевой мощности, секционной мощности, скоростным характеристикам и унификации экипажа.