Турбовозы. История, теория, конструкция

1 – нижняя половина корпуса; 2 – опорно-упорный подшипник; 3 – корпус уплотнения; 4 – рабочее колесо турбины; 5 – сопловый аппарат; 6 – верхняя половина корпуса; 7 – экран; 8 – опорный подшипник; 9 – муфта.

Газотурбинная установка Маковского была установлена на руднике в Горловке (1941 г.). Топливом служил подземный газ, который подавался в камеру сгорания поршневым компрессором. Сюда же, в камеру сгорания, подавался необходимый для сгорания воздух под давлением 3—4 ата. Испытания показали, что газовая турбина может надёжно работать длительное время с начальной температурой газа 815°С при включённом охлаждении и с начальной температурой газа 600°С – при отключённом охлаждении. Создание установки В. М. Маковского дало много ценного материала для последующего строительства газотурбинных установок.

Первая советская газовая турбина, установленная на шахте «Подземгаз» в Горловке.

Если провести сравнение схем газотурбинных установок первых изобретателей, по которым были созданы опытные образцы, не показавшие положительных результатов, с современными газотурбинными установками, то можно увидеть, что принципиальных различий в них нет. Главные причины неудач в создании работоспособного и эффективного газотурбинного двигателя были связаны с аэродинамическим несовершенством компрессоров и турбин, а также отсутствием в то время жаропрочных сталей, способных работать длительное время в условиях высоких температур. Сыграло роль и отсутствие опыта создания систем охлаждения основных деталей и узлов газотурбинных установок.

1.2. Конструкция турбин

Паровые и газовые турбины – это тепловые расширительные турбомашины, в которых потенциальная энергия нагретого и сжатого пара (газа) при его расширении в лопаточном аппарате превращается в кинетическую энергию, а затем в механическую работу на вращающемся валу. К турбомашинам относятся и турбокомпрессоры, преобразующие механическую энергию, подводимую к валу, в потенциальную энергию сжатого воздуха (газа) при его торможении в лопаточном аппарате. Вращающиеся лопатки, закреплённые на роторе турбомашины, изменяют полную энтальпию рабочего тела, при этом производится положительная (в турбинах) или отрицательная (в компрессорах) работа.

Ступени осевой турбомашины образуют проточную часть. Процесс расширения в осевой турбине или сжатия в осевом компрессоре происходит в одной или нескольких ступенях. Ступень турбины – это совокупность неподвижного соплового аппарата, поворачивающего рабочее тело для придания потоку необходимого угла атаки по отношению к лопаткам рабочего колеса, и вращающегося рабочего колеса. Ступень компрессора – это совокупность вращающегося рабочего колеса и неподвижного спрямляющего аппарата.

В зависимости от характера расширения рабочего тела различают активные и реактивные ступени турбины. В активных ступенях потенциальная энергия пара (газа) преобразуется в кинетическую только в сопловых аппаратах, и кинетическая энергия используется для вращения рабочих лопаток. В реактивных ступенях расширение рабочего тела начинается в сопловом аппарате и продолжается в каналах рабочих лопаток, имеющих конфигурацию реактивного сопла. Полезная работа совершается в активной ступени только вследствие изменения направления потока рабочего тела, а в реактивной ещё благодаря силе рабочего тела в межлопаточных каналах.

Модель одной ступени паровой турбины. Автор фото dr. Kaboldy Péter.

Турбомашины классифицируют по нескольким признакам.

По направлению движения потока рабочего тела различают аксиальные турбины, у которых поток рабочего тела движется вдоль оси турбины, и радиальные, направление потока рабочего тела в которых перпендикулярно оси вала турбины. Центробежные турбины (турбокомпрессоры) выделяют как отдельный тип турбин.

По числу контуров турбины подразделяют на одноконтурные, двухконтурные и трёхконтурные. Очень редко турбины могут иметь четыре или пять контуров. Многоконтурная турбина позволяет использовать большие тепловые перепады энтальпии, разместив большое число ступеней разного давления.

Осевая многоступенчатая турбина состоит из вращающегося ротора и неподвижного корпуса. Ротор несёт ряды закреплённых на нём рабочих лопаток. Перед каждым рядом рабочих лопаток в корпусе устанавливаются сопловые лопатки (в паровых турбинах их часто называют направляющими). Для уплотнения зазоров между ротором и корпусом применяются концевые и промежуточные уплотнения. Для подвода и отвода тепла служат соответственно входной и выходной патрубки либо в виде улиток, либо в виде кольцевых каналов.

Радиальная (центростремительная) турбина включает ротор и корпус. Ротор представляет собой рабочее колесо, несущее обычно изготавливаемые за одно целое с ним рабочие лопатки. Из входного патрубка (улитки) рабочее тело поступает в сопловой аппарат, а затем на рабочее колесо. Иногда сопловой аппарат выполняют без лопаток; в этом случае специально спрофилированная входная улитка служит безлопаточным сопловым аппаратом. Центробежный компрессор имеет аналогичные элементы.

На переднем конце вала ротора устанавливается предельный центробежный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий (замедляющий) турбину при увеличении частоты вращения на 10—12% сверх номинальной.

В турбоагрегатах традиционно применяется «тихоходный» – несколько оборотов в минуту – валоповорот. Валоповоротное устройство предназначено для медленного вращения ротора при пуске и останове турбины для предотвращения теплового искривления ротора.

Схемы основных типов турбин и турбокомпрессоров.

а – осевая турбина; б – центростремительная турбина; в – осевой компрессор; г – центробежный компрессор; 1 – ротор; 2 – входной патрубок (улитка); 3 – корпус; 4 – выходной патрубок (улитка); 5 – концевые уплотнения; 6 – подшипниковые узлы; 7 – промежуточные уплотнения; 8 – рабочая лопатка; 9 – сопловая лопатка; 10 – спрямляющая лопатка; 11 – лопаточный диффузор; 12 – безлопаточный диффузор.

На конструкцию паровой турбины влияют начальные параметры пара, режим её работы, конечная влажность пара, особенности технологии изготовления и другие факторы.

Для активных турбин характерно наличие перегородок-диафрагм, в которых располагаются неподвижные сопловые лопатки. Диафрагмы разделяют диски так, что две соседние диафрагмы образуют камеру, в которой располагается диск с рабочими лопатками. В реактивных паровых турбинах рабочие лопатки обычно крепят к ротору барабанного типа, а сопловые – к корпусу турбины или в обоймах.

Конденсационные турбины мощностью до 50 МВт, как правило, выполняются одноцилиндровыми. Цилиндр – это основной узел паровой турбины, в котором внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию парового потока и далее – в механическую энергию ротора. Число венцов сопловых лопаток в каждом цилиндре паровой турбины равно числу венцов рабочих лопаток соответствующего ротора. Цилиндр турбины может быть однокорпусным и двухкорпусным.

Корпуса паровых турбин для удобства сборки и разборки обычно имеют разъём по горизонтальной плоскости. В одноцилиндровых турбинах корпус иногда имеет не только горизонтальный разъём, но и вертикальный, что облегчает его механическую обработку и транспортирование. При высоких рабочих давлениях цилиндры отливают из чугуна или стали, иногда эти цилиндры выполняют сварно-литыми. При низких давлениях корпуса цилиндров и выходные патрубки конденсационных турбин обычно изготавливают сварными из листовой углеродистой стали.

Роторы паровых турбин могут быть дисковыми или барабанными. Дисковая конструкция характерна для турбин активного типа, барабанная – реактивного.

В большинстве стационарных и транспортных паровых турбин применяются подшипники скольжения.

Схемы роторов паровых турбин.

а – дисковый; б – барабанный.

Конструкции ГТУ и ГТД и их узлов зависят от выбранной конструктивной схемы, т. е. взаимного расположения компрессоров, камер сгорания, турбин, воздухоохладителей и регенераторов.

По числу валов, связанных общностью теплового процесса или общей зубчатой передачей (редуктором), различают одновальные, двухвальные, реже трёхвальные ГТД. Расположение валов может быть как коаксиальным так и параллельным с независимым расположением осей валов.

По простейшей одновальной схеме без регенератора выполняют энергетические пиковые ГТУ и ГТУ вспомогательного назначения, приводящие электрогенератор. По этой же схеме был выполнен ГТД первого отечественного газотурбовоза и многие авиационные турбореактивные двигатели. Для транспортных ГТД сравнительно малой мощности (до 1—1,5 МВт), например, автомобильных, характерна двухвальная конструктивная схема. По этой же схеме изготовляют пиковые (без регенерации) и базовые энергетические (с регенерацией) ГТУ.

Трехвальную схему применяют для транспортных ГТД большой мощности (свыше 5 МВт), например, судовых и пиковых, аварийных стационарных энергетических ГТУ, если в качестве газогенератора (блоков компрессоров и турбин высокого и низкого давления) используется авиационный реактивный двигатель, сопло которого заменено на диффузорный патрубок с силовой турбиной. По двухвальной схеме с блокированной турбиной нагрузки могут выполняться базовые стационарные энергетические ГТУ большой мощности.

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

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

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

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

Схема судового ГТД прямоточного типа.

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

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

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

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

Глава II

ЛОКОМОТИВЫ С ПАРОВЫМИ ТУРБИНАМИ

2.1. Общие сведения

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

Суть в том, что:

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

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

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

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

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

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

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

Поэтому конденсационную установку на паровозе обычно осуществляют одновременно с заменой поршневой машины турбиной, причём:

1) к.п.д. значительно повышается и расход угля падает;

2) конденсат – почти чистая дистиллированная вода – идёт в котёл; следовательно, получается замкнутый цикл, при этом накипь почти исчезает, и, таким образом, увеличивается срок службы котла и уменьшается его ремонт;

3) расход воды резко уменьшается;

4) перегрев пара может быть весьма повышен, так как нет трущихся частей, соприкасающихся с паром;

5) турбовоз лучше уравновешен и поэтому динамическое воздействие на путь уменьшается;

6) тяга воздуха происходит равномернее;

7) сила тяги при трогании с места и, вообще, при наибольших отсечках в турбинах больше, чем при поршневых машинах вследствие лучшего коэффициента сцепления, обусловленного наличием постоянного крутящего момента.

Вот почему научно-техническая и изобретательская мысль усиленно работала в направлении создания парового локомотива с другим первичным двигателем, свободным от указанных недостатков поршневой машины, каким и оказалась паровая турбина.

Осуществление рационального турбовоза зависит от удачного решения вопроса о конденсаторах, которых предложено несколько конструкций:

а) с охлаждением непосредственно воздухом;

б) с охлаждением водой, причём для конденсации используется скрытая теплота испарения воды;

в) обыкновенные водяные конденсаторы.

В общем, наиболее пригодным можно считать поверхностный конденсатор с испарителем.

Турбинный агрегат с конденсацией, обладая рядом больших преимуществ, – равномерным крутящим моментом, большой силой тяги при трогании с места, быстрым разгоном, полным уравновешиванием и питанием котла конденсатом, – требует однако добавочных устройств для передачи, обратного хода, вспомогательных механизмов и конденсации.

Как показывает изучение энтропийных диаграмм, увеличение давления пара даёт благоприятные результаты в связи с увеличением его температуры. В турбинах применение высокого давления не встречает затруднений.

Фактически турболокомотивы впервые появляются в тех странах, которые или должны привозить уголь из-за границы (Швеция, Швейцария), или которые благодаря низкому экономическому уровню должны прибегать к исключительной бережливости (Германия 20-х годов прошлого века).

В находившихся в то время в эксплуатации турболокомотивах господствовало большое разнообразие как относительно общей конструкции, так и относительно передачи1.

Наряду с чисто турболокомотивами (Цёлли, Крупп, Юнгстрем, Маффей, Рейд-Маклауд) имелся ещё турбоэлектровоз постройки Рэмси; Геншелем реализована комбинация поршневой машины с турбиной мятого пара в роли бустера тендера. Характеристики паротурбовозов типа 1—4—0 системы Юнгстрема, построенных в Швеции, типа 2—3—1 (Цёлли, Круппа и Маффея) – в Германии и типа 3—4—3 (Балдвина) – в США приведены в нижеследующей таблице.

Передача усилия от турбин к движущим осям в большинстве перечисленных выше паротурбовозов осуществлялась при помощи зубчатого редуктора, в котором по условиям эксплуатации локомотива на переменном профиле пути требовалось большое количество ступеней (пар зубчатых колёс). Для создания более гибкого управления локомотивом передача усилия от турбины к движущим осям была осуществлена с помощью электрического привода. Получился новый вид локомотива – паротурбовоз с электрической передачей.

Этот локомотив типа 2—4+2—4—2 с восемью движущими осями обладал большим весом, сложным оборудованием и мог совершать пробеги около 1000 км без набора топлива.

Несмотря на хорошие тяговые качества паротурбовоз с электрической передачей не получил распространения из-за высокой начальной стоимости, низкого коэффициента полезного действия и сложности ремонта.

В распоряжении конструкторов, посвятивших себя постройке турболокомотивов, имелся опытный и конструктивный материал лишь стационарных и судовых турбинных установок. Однако проблема установки тяговой турбины на локомотиве значительно сложнее из-за затруднений, вызываемых весовыми и габаритными предельными нормами, накладывающими ряд ограничений. Кроме того, эта задача затруднена теми особыми требованиями, которые предъявляла эксплуатация к новым конструкциям. Турбина в качестве тяговой машины локомотива вполне удовлетворяла эксплуатационным условиям, при которых скорости и мощности подвержены сильным колебаниям, кроме того она удовлетворяла также требованию реализации большого крутящего момента при трогании с места.

Наибольший вращающий момент паровой турбины при пуске в два раза превышает нормальный, так что турбовоз в этом отношении подобен паровозу. Расход пара вначале очень велик, но быстро падает с увеличением частоты вращения. Для реализации большого крутящего момента необходимо соответственно большое количество пара, которое, проходя через турбину, при стоящих неподвижно венцах, лишь дросселируется, на производя внешней работы.

Благодаря этому происходит очень быстрый прогрев ротора и корпуса турбины, причём температурные напряжения не появляются благодаря тому, что отвод тепла происходит достаточно легко через поверхность частей турбины, омываемых паром, имеющих большой вес.

Изменение скорости поезда, а следовательно и скорости венца турбины значительно влияет на величину коэффициента полезного действия турбины. В этом отношении реактивные турбины менее чувствительны, чем активные, так как можно считать, что уже при средних скоростях реактивные турбины работают в лучших условиях. Благодаря этому сторонники активных турбин предложили применить на локомотиве устройство, по идее заимствованное из практики морских ходовых турбин, которые включаются при уменьшении скорости.

Конструктор реактивных турбин может этого усложнения избежать в том случае, когда турбина при средних скоростях даёт высокий коэффициент полезного действия, при малых скоростях она работает ещё в хороших пределах, зато при высоких скоростях достигается чрезвычайно высокий коэффициент полезного действия, который изменяется чрезвычайно мало.

Сила тяги при трогании с места, величина которой при постройке турболокомотивов не была известна, так как не имелось никакого опыта, оказывается значительно выше силы тяги по сцеплению.

Непосредственная передача мощности турбины на сцепные колёса неосуществима; точно так же и простая зубчатая передача, в виде комбинации цилиндрических и конических колёс, могла быть осуществлённой лишь в турболокомотиве Рейда-Маклауда при его малой мощности (около 1000 л.с.). За исключением электрической передачи в локомотиве Рэмси в остальных турболокомотивах конструкторы предпочли передачу с помощью отбойного вала, заимствованную у электрических локомотивов. При этом частота вращения турбины через двойную зубчатую передачу понижается до частоты вращения сцепных колёс, которые получают движение от отбойного вала с помощью ведущих спарников.

Надёжность зубчатой передачи в настоящее время бесспорна. Но что касается вoпроса о реверсировании, то последний не вполне решён. Юнгстрем включает для этой цели одно лишнее зубчатое колесо, что встречает ряд возражений. Крупп и Цёлли применяют реверсивную турбину, что годится, однако, лишь для маневровой службы.

Передача силы тяги при трогании с места при сцепной массе 60 т2, также как и передача мощности 2500 л.с. при скорости 120 км/ч с помощью одного отбойного вала, обуславливает появление в редукторе весьма высоких напряжений.

Расположение и соразмерность передаточных органов и изменение направления действующих сил в передаточном механизме и локомотивной раме потребовали подробного специального изучения, так как на упругие деформации изгиба и кручения оказывают влияние такие явления, как тепловые напряжения, игра буксовых подшипников и т. д.

Опыт показал, что передача желаемой мощности вполне возможна, причём открываются перспективы постройки экономичных турболокомотивов с двумя турбинами и двумя отбойными валами на мощности порядка 4000—5000 л.с., т. е. такого, которого требует современный мировой рынок.

При зубчатой передаче проблема обратного хода может быть разрешена двояко: во-первых, путём постановки специальной турбины обратного хода3 и, во-вторых, путём приспособления для переключения зубчатой передачи.