Двигатели локомотив


Поезд светлого будущего. Локомотив с ядерным двигателем Х-12.

. Были

. Были даже

Начало 20-ого века поистине можно назвать временем электричества. За относительно небольшой период оно проникло абсолютно во все аспекты человеческой деятельности, и к концу 30-ых годов представить себе человечество без него уже было невозможно. И имея перед глазами такой пример, во второй половине 40-ых точно такой же победной поступи ждали и от атомной энергии. Атом должен был решить главную проблему электричества – необходимость подключаться к сети или постоянно менять источники питания.

Атомная батарейка в кофеварке проработает десятилетия, и вероятнее всего прибор выбросят из-за поломки раньше, чем кончится заряд. К тому же такая батарейка сделает кофеварку мобильной, ей можно будет воспользоваться дома, можно взять её в гости или в путешествие. Но прежде чем дойти до бытовых приборов, атом должен был показать себя в больших вещах – атомных корабля, атомных самолётах, атомных машин и поездах. Именно о последних и хотелось бы поговорить. В русском сегменте интернета немного освещены советские проекты, а об американских работах на эту тему лишь пара слов. И мне хотелось бы это исправить.

Об атомных поездах заговорили практически сразу после окончания Второй Мировой войны, так в марте 1946 года в журнале Mechanix Illustrated вышла статья "Atomic Engines for Peace", в которой освещалась возможность использования атомного реактора в поездах. Предлагалось при помощи тепла от реактора нагревать воду, приводящую в движение паровые турбины, которые в свою очередь будут питать электрогенераторы. Так же нагретую воду можно использовать для обогрева вагонов. По предварительным расчётам ядерный двигатель будет на 40% легче, чем обычный двигатель внутреннего сгорания тепловоза такой же мощности. Кроме того, подобный атомный локомотив не надо дозаправлять, а значит, его можно не менять на всём протяжении пути. Но пока идеи оставались идеями.

Атомный локомотив в представлении Mechanix Illustrated.

Конструкция атомного локомотива в представлении Mechanix Illustrated.

Впервые по серьёзному занялись созданием атомного двигателя для локомотива в 1952 году, при чём, всё началось со студенческого проекта. Весной 52-ого года профессор Лайл Борст (Lyle Borst) успевший принять участие в Манхэттенском проекте и преподававший в то время ядерные технологи в университете Юты, задумал дать старшей группе студентов максимально сложную задачу для выпускного проекта. После недолгих размышлений он решил, что это будет создание реактора пригодного для использования в локомотивах и двигательной установки для него. По мнению Борста эта задача была достаточно сложной на то время, и он не смог найти ни одного известного исследования на эту тему, а значит, студенты не могли бы смухлевать. В группу были включены уже окончившие институт аспиранты для помощи, а основу составили студенты старших курсов. К лету 52-ого года они проверили предварительные исследования и предоставили их Борсту – результат был обнадёживающим, создание малого реактора было вполне возможным. И это привлекло интерес и самого профессора, он увидел в атомном локомотиве не только поезд, но и возможность создать достаточно компактные атомные реакторы и тем самым поддержать мирное развитие атомной энергетики. С этого момента Борст лично возглавил группу исследователей и вплотную занялся проектом.

Сравнение атомного локомотива Х-12 и других вариантов локомотивов.

Главной сложностью, вставшей перед командой, был размер реактора. Если вес почти не был проблемой, то для установки атомного котла на локомотив требовалось строго соблюсти все габариты – высоту, а главное ширину реактора. Возникали и другие проблемы. Так как первоначальный состав группы почти не разбирался в локомотивостроении, с 1953 года Борст начал активно привлекать для работ сначала своих знакомых инженеров-железнодорожников, а позже и специалистов из таких известных фирм как Commonwealth Edison, Westinghouse и Babcock & Wilcox. Это стало возможно после получения федерального гранта на исследования осенью 1953 года. Полученная сумма хоть и была небольшой, но позволила спокойно проектировать ядерный локомотив, хотя об натурных испытаниях пока речи идти и не могло. Именно в этот период проект получил и название - X-12. Создаваемый локомотив предназначался исключительно для грузовых перевозок, поскольку существующие и перспективные технологии помочь в создании атомного пассажирского поезда пока не могли.

Атомный локомотив Х-12.

К середине 1954 года проект стал принимать видимые очертания. Локомотив Х-12 должен был состоять из двух секций. В первой располагался реактор, турбина, конденсаторы и генераторы. Кроме того, в первой секцией располагалась и кабина машинистов, потому реактор был хорошо экранирован. Всё это весило 720 тонн, потому первая секция размещалась на трёх трёхосных тележках. Так же реактор выделял слишком много лишнего тепла, и вся вторая секция была занята радиаторами, утилизирующими это тепло. Она имела две тележки - первую с тремя осями и вторую с двумя. Общая длина двух секций составляла 49 метров – тем самым хоть Х-12 не был самым большим локомотивом на тот момент, он явно входил в первую пятёрку. Борст и его группа решили не мудрить и использовали в локомотиве уже отработанную схему тепловоза, только заменив дизельный двигатель реактором и турбиной. Реактор генерирует пар, который раскручивает турбины, которые приводят в действия генераторы.

Конструкция турбины Х-12.

В локомотиве располагалась одна турбина, питавшая четыре генератора, каждый мощностью 1,3 Мвт. Ведущими являются все 9 осей первой секции и три оси первой тележки второй секции. В итоге локомотив выдавал 8000 лошадиных сил в обычном режиме и мог форсироваться до 10000 лошадиных сил на небольшое время. К сожалению, в ограниченном объёме так и не удалось поместить двухконтурную систему передачи тепла, и в турбину поступала радиоактивная вода прямо из реактора, загрязняла её. Потому предполагалось турбину сделать без возможности обслуживания – каждые полтора года загрязнённая турбина вынималась бы из локомотива и заменялась на новую. Это хоть и привело бы к увеличению эксплуатационных расходов, но выгода от использования атомного реактора их всё равно бы перекрывала.

Внутреннее устройство Х-12. Кликабельно.

Сердцем Х-12 должен был стать водяной ядерный реактор с гомогенной активной зоной. В этом варианте активная зона реактора представляет собой гомогенную смесь ядерного горючего с замедлителем, тепловыделяющие элементы отсутствовали. Выбор в пользу такой схемы был обусловлен тем, что данный тип реактора на тот момент был наименее секретен и достаточно прост для создания. Кроме того, он был прост и в обслуживании, а в случае перегрева реактора и его закипания благодаря малому паровому коэффициенту реактивности реакция самостоятельно прерывалась. Так же эта схема отличалась небольшим расходом ядерного топлива и возможностью оперативно изменять выходную мощность. Основной же минус подобной конструкции - быстрый износ конструкции реактора предлагалось преодолеть, используя новые материалы, в том числе и ещё находящиеся в разработке.

Ранняя конструкция ядерного реактора Х-12.

В итоге размер реактора составил 1 метр высоты и 1 метр ширины и 0,4 метра длинны. В реакторе находилось 19,8 килограмм высокообогащённого урана (с 80-типроцентным содержанием урана-235) растворённого в 357 литрах воды. Выбор в пользу оружейного урана был сделан из-за крайне малого объёма реактора. Средняя температура смеси в рабочем режиме - 237 градусов по Цельсию. Постоянную циркуляцию смеси во избежание осаждения урана и для поддержания постоянной температуры обеспечивали два насоса в верхней части реактора. Для контроля реакции имелись отражатели и стержни из бора и стали. В обычном режиме реактор производил 30 МВт тепловой энергии. Для передачи этой энергии через рабочую зону реактора проходило 10000 трубок с водой. Вода в них превращалась в пар, который поступал в турбину, раскручивая её до 6000 оборотов в минуту. После пар попадал в конденсаторную секцию, где снова превращался в воду и отправлялся обратно к реактору.

Поздняя конструкция ядерного реактора Х-12.

Для защиты от радиации реактор был окружён водой и экранирован защитой из стали с промежутками парафина и гипса. Кроме того, предполагалось применить подобный материал и в конструкции генераторов, тем самым, использовав их так же в качестве защиты. Управлять реактором должны были два специально обученных инженера, находящиеся в предельной близости к зоне реактора. По расчётам максимальный срок безопасной работы для них составлял год, сменами через три дня. После во избежание накопления вреда от радиации предлагалось переводить этих инженеров на другие должности. Серьёзное внимание было уделено экстренной остановке реактора в случае аварии локомотива. Конструкция локомотива была специально просчитана, что бы погасить удар (подобная конструкция используется в современных автомобилях). Кроме того, защитная оболочка так же была рассчитана на дополнительную амортизацию удара. В конструкцию управляющих стержней был заложен механизм, освобождающий все стержни при резком изменении скорости, тем самым в случае аварии реактор будет остановлен. Так же имелась максимально простая и надёжная система охлаждения реактора, которая могла бы функционировать и после удара и предотвратить расплавление реактора до прибытия аварийных команд.

Схема локомотива Х-12.

В январе 1954 года Борст развернул рекламную компанию Х-12 в научно-популярной прессе – за зиму и весну об атомном локомотиве написала практически каждое научно-популярное издание в Америке и многие в мире. Основной целью этой компании было нахождение инвестора для дальнейшего развития проекта. По расчётам для постройки первого испытательного локомотива команде Борста требовалось 4 миллиона долларов на исследования и 1,2 миллиона долларов на саму постройку (разумеется, все цены по курсу 1954 года). Кроме того, необходим был доступ к мощностям крупного железнодорожного завода. Подобные траты компенсировались выгодой от отсутствия необходимости постоянно заправлять локомотив, возможности его непрерывного использования в течение дней, а то недель. В итоге один локомотив окупал бы себя за 10 лет работы, а при постройке 5 локомотивов все затраты будут окуплены за 12 лет. Основную выгоду давало использование Х-12 на дальних и сверхдальних маршрутах. Так команда Борста предлагала использование Х-12 на проектируемой в то время панамериканской магистрали, проходящей через всю Северную и Южную Америку. Средний грузовой состав для Х-12 оценивался в 120 вагонов весом до 20000 тонн при скорости в 80 километров в час.

Иллюстрация локомотива Х-12. Кликабельно.

Забавной особенностью было то, что реактор запускался исключительно на заводе при выпуске локомотива из цехов и после доступ к нему был практически невозможен. Предполагалось, что реактор данного типа спокойно прослужит 3 года, после чего локомотив снова придёт на завод, где произойдёт замена реактора. Как уже говорилось выше, каждые полтора года заменялась турбина, но это могло выполняться и на специально созданной станции обслуживания. Каждые полгода на этой же станции в реактор добавлялось 50 литров водно-урановой смеси для дозаправки. В этом моменте команда Борста допустила ошибку или сознательно схитрила – поскольку стоимость оружейного урана на тот момент была секретна, Борст указал её в 20 долларов за грамм, в то время как в реальности на тот период оружейный уран стоил до 120 долларов за грамм. При использовании реальной цифры экономичность Х-12 серьёзно снизилась бы. Разрабатывалась два варианта локомотива с экипажем в 2 и 4 человека. В первом случае отсутствовали инженеры, наблюдающие за реактором, и поскольку команда Борста была уверена в надёжности своего атомного котла, именно этот вариант был выбран основным.

Модель локомотива Х-12.

К 1955 году Борст представил проект своей группы на нескольких конференциях и выставках, но при высоком интересе публики у потенциальных заказчиков было много вопросов. Практически сразу от проекта отказались военные – они признали, что в будущем атомные поезда возможно займут своё место на железных дорогах, но пока все их требования удовлетворяли и обычные локомотивы. У частных фирм интереса была куда больше, наибольшую заинтересованность проявили в Babcock & Wilcox, где в 1955 году была собрана комиссия для анализа проекта. После 2 месяцев исследований выводы были неутешительны – Х-12 был признан хоть и перспективным, но чрезмерно опасным, в случае аварии убытки были бы настолько большими, что перекрыли бы всю возможную выгоду.

Многие изобретатели зацикливаются на своём детище, годами, а то и десятилетиями, пытаясь протолкнуть его в жизнь. Лайл Борст был не таким. Поскольку у проекта в ближайшее время не было перспектив, он принял решение о его закрытии. Вся команда получила неоценимый опыт работы и теперь могла спокойно двигаться дальше как по науке, так и по карьере. Продолжил научную деятельность и сам Борст, без сомнений оставив Х-12 позади. Позже он вспоминал, что возможно прояви он большую настойчивость, возможно, мог бы проложить Х-12 дорогу в жизнь хотя бы в качестве прототипа. Но шансы на это были откровенно маленькие и, потому Борст никогда не сомневался в правильности решения закрыть проект атомного локомотива. На этом история Х-12 заканчивается, но история атомных поездов только начинается.

Продолжение неизбежно следует.

Источники:An Atomic Locomotive: A Feasibility Study.Popular Science. 04-1954.Nuclear Reactor Development: Proceedings of the Atomic Industrial Forum. Atomic Powered Locomotive.Nuclear-powered Locomotive's Economic Feasibility Questioned by Railroad Men.Railway History, No. 175.Патент US3127321 A.Mechanix Illustrated. 03-1946.

masterok.livejournal.com

Локомотив с ядерным двигателем Х-12.

Начало 20-ого века поистине можно назвать временем электричества. За относительно небольшой период оно проникло абсолютно во все аспекты человеческой деятельности, и к концу 30-ых годов представить себе человечество без него уже было невозможно. И имея перед глазами такой пример, во второй половине 40-ых точно такой же победной поступи ждали и от атомной энергии. Атом должен был решить главную проблему электричества – необходимость подключаться к сети или постоянно менять источники питания. Атомная батарейка в кофеварке проработает десятилетия, и вероятнее всего прибор выбросят из-за поломки раньше, чем кончится заряд. К тому же такая батарейка сделает кофеварку мобильной, ей можно будет воспользоваться дома, можно взять её в гости или в путешествие. Но прежде чем дойти до бытовых приборов, атом должен был показать себя в больших вещах – атомных корабля, атомных самолётах, атомных машин и поездах. Именно о последних и хотелось бы поговорить. В русском сегменте интернета немного освещены советские проекты, а об американских работах на эту тему лишь пара слов. И мне хотелось бы это исправить.

Об атомных поездах заговорили практически сразу после окончания Второй Мировой войны, так в марте 1946 года в журнале Mechanix Illustrated вышла статья "Atomic Engines for Peace", в которой освещалась возможность использования атомного реактора в поездах. Предлагалось при помощи тепла от реактора нагревать воду, приводящую в движение паровые турбины, которые в свою очередь будут питать электрогенераторы. Так же нагретую воду можно использовать для обогрева вагонов. По предварительным расчётам ядерный двигатель будет на 40% легче, чем обычный двигатель внутреннего сгорания тепловоза такой же мощности. Кроме того, подобный атомный локомотив не надо дозаправлять, а значит, его можно не менять на всём протяжении пути. Но пока идеи оставались идеями.

Атомный локомотив в представлении Mechanix Illustrated.

Конструкция атомного локомотива в представлении Mechanix Illustrated.

Впервые по серьёзному занялись созданием атомного двигателя для локомотива в 1952 году, при чём, всё началось со студенческого проекта. Весной 52-ого года профессор Лайл Борст (Lyle Borst) успевший принять участие в Манхэттенском проекте и преподававший в то время ядерные технологи в университете Юты, задумал дать старшей группе студентов максимально сложную задачу для выпускного проекта. После недолгих размышлений он решил, что это будет создание реактора пригодного для использования в локомотивах и двигательной установки для него. По мнению Борста эта задача была достаточно сложной на то время, и он не смог найти ни одного известного исследования на эту тему, а значит, студенты не могли бы смухлевать. В группу были включены уже окончившие институт аспиранты для помощи, а основу составили студенты старших курсов. К лету 52-ого года они проверили предварительные исследования и предоставили их Борсту – результат был обнадёживающим, создание малого реактора было вполне возможным. И это привлекло интерес и самого профессора, он увидел в атомном локомотиве не только поезд, но и возможность создать достаточно компактные атомные реакторы и тем самым поддержать мирное развитие атомной энергетики. С этого момента Борст лично возглавил группу исследователей и вплотную занялся проектом.

Сравнение атомного локомотива Х-12 и других вариантов локомотивов.

Главной сложностью, вставшей перед командой, был размер реактора. Если вес почти не был проблемой, то для установки атомного котла на локомотив требовалось строго соблюсти все габариты – высоту, а главное ширину реактора. Возникали и другие проблемы. Так как первоначальный состав группы почти не разбирался в локомотивостроении, с 1953 года Борст начал активно привлекать для работ сначала своих знакомых инженеров-железнодорожников, а позже и специалистов из таких известных фирм как Commonwealth Edison, Westinghouse и Babcock & Wilcox. Это стало возможно после получения федерального гранта на исследования осенью 1953 года. Полученная сумма хоть и была небольшой, но позволила спокойно проектировать ядерный локомотив, хотя об натурных испытаниях пока речи идти и не могло. Именно в этот период проект получил и название - X-12. Создаваемый локомотив предназначался исключительно для грузовых перевозок, поскольку существующие и перспективные технологии помочь в создании атомного пассажирского поезда пока не могли.

Атомный локомотив Х-12.

К середине 1954 года проект стал принимать видимые очертания. Локомотив Х-12 должен был состоять из двух секций. В первой располагался реактор, турбина, конденсаторы и генераторы. Кроме того, в первой секцией располагалась и кабина машинистов, потому реактор был хорошо экранирован. Всё это весило 720 тонн, потому первая секция размещалась на трёх трёхосных тележках. Так же реактор выделял слишком много лишнего тепла, и вся вторая секция была занята радиаторами, утилизирующими это тепло. Она имела две тележки - первую с тремя осями и вторую с двумя. Общая длина двух секций составляла 49 метров – тем самым хоть Х-12 не был самым большим локомотивом на тот момент, он явно входил в первую пятёрку. Борст и его группа решили не мудрить и использовали в локомотиве уже отработанную схему тепловоза, только заменив дизельный двигатель реактором и турбиной. Реактор генерирует пар, который раскручивает турбины, которые приводят в действия генераторы.

Конструкция турбины Х-12.

В локомотиве располагалась одна турбина, питавшая четыре генератора, каждый мощностью 1,3 Мвт. Ведущими являются все 9 осей первой секции и три оси первой тележки второй секции. В итоге локомотив выдавал 8000 лошадиных сил в обычном режиме и мог форсироваться до 10000 лошадиных сил на небольшое время. К сожалению, в ограниченном объёме так и не удалось поместить двухконтурную систему передачи тепла, и в турбину поступала радиоактивная вода прямо из реактора, загрязняла её. Потому предполагалось турбину сделать без возможности обслуживания – каждые полтора года загрязнённая турбина вынималась бы из локомотива и заменялась на новую. Это хоть и привело бы к увеличению эксплуатационных расходов, но выгода от использования атомного реактора их всё равно бы перекрывала.

Внутреннее устройство Х-12. Кликабельно.

Сердцем Х-12 должен был стать водяной ядерный реактор с гомогенной активной зоной. В этом варианте активная зона реактора представляет собой гомогенную смесь ядерного горючего с замедлителем, тепловыделяющие элементы отсутствовали. Выбор в пользу такой схемы был обусловлен тем, что данный тип реактора на тот момент был наименее секретен и достаточно прост для создания. Кроме того, он был прост и в обслуживании, а в случае перегрева реактора и его закипания благодаря малому паровому коэффициенту реактивности реакция самостоятельно прерывалась. Так же эта схема отличалась небольшим расходом ядерного топлива и возможностью оперативно изменять выходную мощность. Основной же минус подобной конструкции - быстрый износ конструкции реактора предлагалось преодолеть, используя новые материалы, в том числе и ещё находящиеся в разработке.

Ранняя конструкция ядерного реактора Х-12.

В итоге размер реактора составил 1 метр высоты и 1 метр ширины и 0,4 метра длинны. В реакторе находилось 19,8 килограмм высокообогащённого урана (с 80-типроцентным содержанием урана-235) растворённого в 357 литрах воды. Выбор в пользу оружейного урана был сделан из-за крайне малого объёма реактора. Средняя температура смеси в рабочем режиме - 237 градусов по Цельсию. Постоянную циркуляцию смеси во избежание осаждения урана и для поддержания постоянной температуры обеспечивали два насоса в верхней части реактора. Для контроля реакции имелись отражатели и стержни из бора и стали. В обычном режиме реактор производил 30 МВт тепловой энергии. Для передачи этой энергии через рабочую зону реактора проходило 10000 трубок с водой. Вода в них превращалась в пар, который поступал в турбину, раскручивая её до 6000 оборотов в минуту. После пар попадал в конденсаторную секцию, где снова превращался в воду и отправлялся обратно к реактору.

Поздняя конструкция ядерного реактора Х-12.

Для защиты от радиации реактор был окружён водой и экранирован защитой из стали с промежутками парафина и гипса. Кроме того, предполагалось применить подобный материал и в конструкции генераторов, тем самым, использовав их так же в качестве защиты. Управлять реактором должны были два специально обученных инженера, находящиеся в предельной близости к зоне реактора. По расчётам максимальный срок безопасной работы для них составлял год, сменами через три дня. После во избежание накопления вреда от радиации предлагалось переводить этих инженеров на другие должности. Серьёзное внимание было уделено экстренной остановке реактора в случае аварии локомотива. Конструкция локомотива была специально просчитана, что бы погасить удар (подобная конструкция используется в современных автомобилях). Кроме того, защитная оболочка так же была рассчитана на дополнительную амортизацию удара. В конструкцию управляющих стержней был заложен механизм, освобождающий все стержни при резком изменении скорости, тем самым в случае аварии реактор будет остановлен. Так же имелась максимально простая и надёжная система охлаждения реактора, которая могла бы функционировать и после удара и предотвратить расплавление реактора до прибытия аварийных команд.

Схема локомотива Х-12.

В январе 1954 года Борст развернул рекламную компанию Х-12 в научно-популярной прессе – за зиму и весну об атомном локомотиве написала практически каждое научно-популярное издание в Америке и многие в мире. Основной целью этой компании было нахождение инвестора для дальнейшего развития проекта. По расчётам для постройки первого испытательного локомотива команде Борста требовалось 4 миллиона долларов на исследования и 1,2 миллиона долларов на саму постройку (разумеется, все цены по курсу 1954 года). Кроме того, необходим был доступ к мощностям крупного железнодорожного завода. Подобные траты компенсировались выгодой от отсутствия необходимости постоянно заправлять локомотив, возможности его непрерывного использования в течение дней, а то недель. В итоге один локомотив окупал бы себя за 10 лет работы, а при постройке 5 локомотивов все затраты будут окуплены за 12 лет. Основную выгоду давало использование Х-12 на дальних и сверхдальних маршрутах. Так команда Борста предлагала использование Х-12 на проектируемой в то время панамериканской магистрали, проходящей через всю Северную и Южную Америку. Средний грузовой состав для Х-12 оценивался в 120 вагонов весом до 20000 тонн при скорости в 80 километров в час.

Иллюстрация локомотива Х-12. Кликабельно.

Забавной особенностью было то, что реактор запускался исключительно на заводе при выпуске локомотива из цехов и после доступ к нему был практически невозможен. Предполагалось, что реактор данного типа спокойно прослужит 3 года, после чего локомотив снова придёт на завод, где произойдёт замена реактора. Как уже говорилось выше, каждые полтора года заменялась турбина, но это могло выполняться и на специально созданной станции обслуживания. Каждые полгода на этой же станции в реактор добавлялось 50 литров водно-урановой смеси для дозаправки. В этом моменте команда Борста допустила ошибку или сознательно схитрила – поскольку стоимость оружейного урана на тот момент была секретна, Борст указал её в 20 долларов за грамм, в то время как в реальности на тот период оружейный уран стоил до 120 долларов за грамм. При использовании реальной цифры экономичность Х-12 серьёзно снизилась бы. Разрабатывалась два варианта локомотива с экипажем в 2 и 4 человека. В первом случае отсутствовали инженеры, наблюдающие за реактором, и поскольку команда Борста была уверена в надёжности своего атомного котла, именно этот вариант был выбран основным.

Модель локомотива Х-12.

К 1955 году Борст представил проект своей группы на нескольких конференциях и выставках, но при высоком интересе публики у потенциальных заказчиков было много вопросов. Практически сразу от проекта отказались военные – они признали, что в будущем атомные поезда возможно займут своё место на железных дорогах, но пока все их требования удовлетворяли и обычные локомотивы. У частных фирм интереса была куда больше, наибольшую заинтересованность проявили в Babcock & Wilcox, где в 1955 году была собрана комиссия для анализа проекта. После 2 месяцев исследований выводы были неутешительны – Х-12 был признан хоть и перспективным, но чрезмерно опасным, в случае аварии убытки были бы настолько большими, что перекрыли бы всю возможную выгоду.

Многие изобретатели зацикливаются на своём детище, годами, а то и десятилетиями, пытаясь протолкнуть его в жизнь. Лайл Борст был не таким. Поскольку у проекта в ближайшее время не было перспектив, он принял решение о его закрытии. Вся команда получила неоценимый опыт работы и теперь могла спокойно двигаться дальше как по науке, так и по карьере. Продолжил научную деятельность и сам Борст, без сомнений оставив Х-12 позади. Позже он вспоминал, что возможно прояви он большую настойчивость, возможно, мог бы проложить Х-12 дорогу в жизнь хотя бы в качестве прототипа. Но шансы на это были откровенно маленькие и, потому Борст никогда не сомневался в правильности решения закрыть проект атомного локомотива. На этом история Х-12 заканчивается, но история атомных поездов только начинается.

Продолжение неизбежно следует.

Источники:An Atomic Locomotive: A Feasibility Study.Popular Science. 04-1954.Nuclear Reactor Development: Proceedings of the Atomic Industrial Forum. Atomic Powered Locomotive.Nuclear-powered Locomotive's Economic Feasibility Questioned by Railroad Men.Railway History, No. 175.Патент US3127321 A.Mechanix Illustrated. 03-1946.

feldgrau.info

Локомотив

ЛОКОМОТИВ в горном деле (от латинского loсо moveo — сдвигаю с места * а. loсоmotive; н. Lokomotive; ф. loсоmotive; и. loсоmotora) — силовое самоходное тяговое средство шахтного подземного или карьерного рельсового транспорта, служащее для передвижения по рельсам вагонеток или вагонов. В зависимости от вида первичного источника энергии локомотивы делятся на тепловые, электрические и механические. Тепловые локомотивы — карьерные паровозы, тепловозы, мотовозы и шахтные (рудничные) дизелевозы — имеют собственную силовую установку (паровую машину или двигатель внутреннего сгорания). К электрическим локомотивам относятся шахтные и карьерные электровозы, а также карьерные тяговые агрегаты. Механические локомотивы — шахтные гировозы, силовой установкой которых является раскрученный маховик. Кроме основных типов локомотивов в карьерах применяют комбинированные локомотивы (дизель- электровозы, дизель-аккумуляторные электровозы). Функции локомотивов выполняют также моторные думпкары, входящие в состав тягового агрегата. На шахтах иногда используют воздуховозы — подземные локомотивы с пневматическим двигателем, питаемым от размещённых на локомотиве баллонов со сжатым воздухом.

Локомотивы различаются по конструктивным признакам и особенностям отдельных узлов и систем (ходовой части, типу привода колёсных пар, ширине колеи, расположению кабины, системам управления и торможения и т.п.). Механическая часть локомотива состоит в основном из несущей рамы с одной или двумя кабинами, ходовой части, рессорного подвешивания, тяговой передачи, тормозной системы, а также тягово-сцепных устройств. Основные параметры локомотивов: сцепная масса, сила тяги, габариты (длина, высота, ширина), скорость, мощность, тормозная сила, энергоёмкость (для локомотивов с автономным источником энергии), уровень исполнения взрывозащиты (для шахтных локомотивов), конструкционная скорость. У электровозов также различают силу тяги, мощность и скорость часового и длительного режимов работы тяговых электродвигателей. К основным параметрам шахтных дизелевозов относят также содержание токсичных веществ в выхлопных газах и способ передачи усилия двигателя на колёсные пары. Карьерные электровозы и тяговые агрегаты характеризуются родом тока (постоянным или переменным) и напряжением, тепловозы — типом передачи. Некоторые параметры и конструктивное исполнение отечественных локомотивов определены рядом нормативных документов, включая отечественные стандарты и стандарты СЭВ по общим техническим требованиям и безопасности. Основными критериями выбора локомотива в конкретных условиях применения служат величина грузопотока и наличие или отсутствие взрывчатой среды (для шахтных локомотивов). Последнее определяет уровень исполнения взрывозащиты шахтных локомотивов.

На шахтах CCCP с помощью локомотивов осуществляется преобладающий объём перевозок по главным выработкам. В основе парка локомотивов угольных шахт — аккумуляторные электровозы (около 70%), рудных шахт — контактные (около 100%). Контактные электровозы — локомотивы, питаемые от внешнего источника электроэнергии постоянного тока посредством контактного (троллейного) провода и рельсовой цепи, аккумуляторные — от тяговой аккумуляторной батареи, установленной на самом электровозе. Используются также бесконтактные электровозы переменного тока повышенной частоты (5 кГц), получающие электроэнергию за счёт индуктивной связи токоприёмника локомотива с кабельной тяговой сетью, и комбинированного или смешанного питания локомотива (контактно-аккумуляторные, гироконтактные, контактно-кабельные).

Управляют тяговыми электродвигателями шахтных электровозов изменением на них величины напряжения — реостатным способом, за счёт падения напряжения источника питания на пусковых резисторах, включённых последовательно с двигателями; секционированием тяговой батареи в сочетании с последовательно-параллельным соединением двигателей и ослаблением их поля; тиристорным импульсным способом, при котором изменение величины напряжения на двигателе происходит за счёт регулируемого периодического прерывания цепи их питания.

Рудничные дизелевозы имеют механическую ступенчатую или гидравлическую бесступенчатую тяговую передачу на ведущие оси и оборудованы дополнительно противопожарной системой, устройствами нейтрализации, очистки и охлаждения выхлопных газов, ёмкостями для топлива и воды.

По тяговым свойствам все шахтные локомотивы подразделяются на лёгкие (сцепная масса от 2 до 5 т), средние (от 6 до 10 т) и тяжёлые (свыше 10 т). В CCCP они изготавливаются на стандартные колеи 600, 750 и 900 мм и на колеи 550 и 575 мм (для старых шахт). Контактные электровозы имеют исполнение рудничное нормальное (PH), сцепную массу 3, 4, 7, 10 и 14 т и рассчитаны на длительные скорости от 9 до 19 км/ч и номинальное напряжение 250 В. Аккумуляторные электровозы (сцепной массой 2, 5, 7, 10, 14, 16 и 28 т) рассчитаны на длительные скорости от 5,5 до 18 км/ч; исполнение — рудничное повышенной надёжности против взрыва (РП). Электровозы массой 5 и 7 т выпускаются также и во взрывобезопасном исполнении. Перспективным параметрическим рядом локомотивов, разработанным в CCCP для угольных шахт, предусмотрены машины сцепной массой 7, 10, 14 и 28 (2х14) т. В соответствии с ним выпускают аккумуляторные электровозы типов АРП7, APB7, АРП10, АРП14 и АРП28 (на базе 2 секций АРП14), контактные электровозы К10 и К14 (М). Аккумуляторные электровозы имеют повышенную энергоёмкость тяговых батарей и экономичные безреостатные системы управления тяговыми двигателями (секционирование батарей, на электровозах, АРП14 и АРП28 — тиристорные системы управления). За рубежом применяют шахтные контактные электровозы со сцепной массой от 4 до 45 т при длительных скоростях от 5 до 25 км/ч и аккумуляторные электровозы с соответствующими параметрами от 3 до 45 т и от 5 до 15 км/ч. Использование шахтных локомотивов различного исполнения регламентируется правилами безопасности. Так, отечественными правилами в угольных шахтах, опасных по газу или пыли, предусматривается использование взрывобезопасных локомотивов. При соблюдении ряда условий допускается применение локомотивов исполнения PH на шахтах I и II категорий по газу или опасных по пыли, а исполнения РП — на шахтах любой категории по газу. Во всех выработках шахт, неопасных по газу или пыли, можно эксплуатировать электровозы исполнения РП. Соответствующими нормативами ряда зарубежных стран (при соблюдении дополнительных мер безопасности) локомотивы исполнения PH допускаются к применению в выработках со свежей струёй воздуха угольных шахт любой категории по газу.

Современная тенденция развития шахтных электровозов — переход на тиристорные импульсные системы управления тяговыми двигателями с применением микропроцессорной техники. Такие системы, в частности, обеспечивают более высокие тяговые свойства; позволяют автоматизировать операции управления (вплоть до автоматического вождения) и осуществлять управление электровозами по системе многих единиц. Последнее даёт возможность рассредоточить электровозы равномерно по длине поезда и в ряде случаев отказаться от однорамных электровозов с большой сцепной массой, а в итоге применить высокоэффективную поточную технологию откатки. Для угольных шахт III категории и сверхкатегорных по метану перспективным является также использование бесконтактных электровозов переменного тока, исполнение которых приближается к рудничному взрывобезопасному, а производительность по сравнению с аккумуляторными локомотивами выше при меньших эксплуатационных расходах.

Основу современного локомотивного парка на карьерах CCCP и за рубежом составляют электровозы, тепловозы и тяговые агрегаты. Конструктивно карьерные локомотивы различаются по числу осей и форме кузова. Как правило, в зависимости от сцепной массы они выполняются четырёхосными или шестиосными с тем, чтобы нагрузка на ось не превышала 250-300 кН. Современные карьерные локомотивы выпускаются с кузовом вагонного типа (с размещением кабины машиниста по обоим концам кузова), что облегчает расположение на нём оборудования, а также с кузовом будочного типа с кабиной машиниста в средней части локомотива. Условия работы предъявляют к карьерным локомотивам специфические требования: способность преодолевать затяжные участки пути с уклонами 40-50‰без значительного снижения скорости, проходить кривые участки пути радиусом до 80-100 м; готовность к работе в различных климатические зонах. Тяговые агрегаты — комбинированные локомотивы, состоящие из несколько тяговых секций (электровозы управления, дизельной секции и моторного думпкара), в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к карьерным локомотивам. Они выполняются в виде контактных или дизель-контактных локомотивов. При работе в контактном режиме (во время движения по выездным путям тяжёлого профиля) двигатели всех секций агрегата питаются электроэнергией от контактной сети. Мощность локомотивов в этом режиме 6500 кВт. При движении по неэлектрифицированным путям на уступах карьера энергия к двигателям поступает от дизель-генераторной установки (мощность дизеля 1100-1500 кВт). Сцепная масса современных тяговых агрегатов достигает 360-370 т. Карьерные электровозы имеют наибольшую удельную мощность (отнесённую к единице сцепной массы). Это позволяет реализовать большие скорости движения и большие ускорения при трогании с места, использовать локомотивы этого типа при значительной глубине карьеров. Коэффициент полезного действия современных карьерных электровозов 0,84-0,86. Во время частой погрузки и разгрузки вагонов, что характерно для технологии открытой разработки, электровозы практически не расходуют электроэнергию. Однако необходимость в контактной сети затрудняет ведение горных работ, особенно на передвижных уступных и отвальных путях. При электрификации на постоянном токе используется напряжение 1650 и 3300 В на шинах подстанции, на переменном токе — система однофазного тока промышленной частоты 50 Гц напряжением 10 кВ. Сцепная масса карьерных электровозов 150-180 т, мощность 2000-2500 кВт.

Карьерные тепловозы, имеющие собственную силовую установку, эффективно используют в неэлектрифицированных районах, на карьерах большой протяжённости при глубине до 80-100 м. На этих локомотивах применяется электромеханическая передача — двигатель внутреннего сгорания (дизель) вращает генератор постоянного или переменного тока, который питает электроэнергией тяговые электродвигатели. Коэффициент полезного действия тепловозов 24-26%. Скорость движения тепловозов на уклонах (30-40‰) ограничена мощностью силовой установки и составляет 8-10 км/ч. Сцепная масса карьерных тепловозов достигает 180 т, мощность 1500 кВт.

Развитие конструкций карьерных локомотивов связано с увеличением мощности тяговых двигателей, созданием тяговых двигателей переменного тока, применением систем плавного регулирования тягового усилия, повышением напряжения в контактной сети.

Создание первого горного локомотива связывается с реализацией идеи немецкого инженера В. Сименса о возможности применения электрической тяги на транспорте, высказанной им в 1867. В 1879 им был изготовлен шахтный электровоз. 1 сентября 1882 впервые в мире контактный электровоз массой 4 т ввели в эксплуатацию на каменноугольной шахте "Цаукероде" (Германия). К началу 20 века относится начало использования локомотивов в карьерах Германии и США. В 20-х годах 20 века было налажено серийное производство отечественных шахтных электровозов. В CCCP в 30-х годах в качестве карьерных локомотивов получают распространение паровозы, в конце 50-х годов — тепловозы, с конца 40-х годов — электровозы, а с конца 60-х годов — тяговые агрегаты.

www.mining-enc.ru

Виды локомотивов | PROлокомотив

Автор: admin Рубрика: Разное

Локомотив подразумевает собой самодвижущуюся установку силовой тяги, которая осуществляет передвижение вагонов по рельсовым железным дорогам. Локомотив — это самоходный рельсовый экипаж, обладающий силовой тягой электродвигателя или двигателем внутреннего сгорания, или паросиловой установкой, или первичным двигателем с газовой турбиной. Движение осуществляется благодаря электроэнергии, которая поступает через навесную электропроводку от электростанции или благодаря жидкому и/или твердому топливу.

  Рельсовые техники подразделяются на категории:

 — Магистральные;

 — Маневровые;

 Каждый из родов службы локомотивных установок имеют свое предназначение. К магистральному типу, напрямую относятся грузовые и пассажирские виды перевозок, а маневровые представляют собой односекционный локомотив выполняющий движение (вперед-назад).

 Самоходная рельсовая техника, выполняющая тягу несамоходных вагонов, сама по себе не осуществляет транспортировку пассажиров или грузов различного вида и типа. Локомотив – это мощная электротехническая машина, приводящаяся в движении от различных источников питания/топлива:

 — Электрические контактные сети;

 — Бензин и дизельное топливо;

 — Газообразная жидкость;

 — Сжатый воздух;

 В ходе эволюции создания силовых передвижных установок, также были попытки создания двигателей скомбинированных разными топливными вариациями, где в основу работы всей системы должны были использоваться одновременно несколько вариантов обеспечения силовой тяги двигателя.

Виды и типы локомотивов

 Классификация локомотивов подразделяется на многие силовые установки, которые являются обиходными как в производстве, так и использовании, а именно: электровозы, паровозы, тепловозы, мотовозы, газотурбовозы, электротепловозы, автомовозы, гировозы и пневматические локомотивы.

 Наиболее применимые в качестве постоянного использования, являются 4-е основные вида: электровозы, паровозы, газовые локомотивы и тепловозы.

 Электровозы используют в работе зубчатые колеса, которые выполняют вращающий момент с помощью электродвигателя передающего паровую тягу, приводящую в работу колесные пары.

 Паровоз состоит из паросиловой установки, которая в общей комплектации локомотива содержащего котел и поршневой двигатель, преобразовывает тепловую циркулирующую энергию в механическое функционирование всей системы в целом. Движение колес выполняется с помощью водяного пара, так называемого рабочего тела. В качестве топлива, подходит как твердотопливный уголь, так и вязкое вещество (мазута).

 Газотурбовозы работают на первичной двигательной установке, у которого через газовую турбину подается сжатый нагретый газ.

 

 Тепловозы используют в работе двигатель на внутреннем сгорании, который функционирует на топливе (дизель), добываемый из нефти. Момент пропорционального вращения вала дизеля, осуществляется совместно с работой внутреннего сгорания электрического двигателя, путем выработки тока. Заряженный электродвигатель создает вращение колесных пар, приводя тепловоз в движение. Также вращение создается благодаря гидравлической передаче тока.

Технические особенности и преимущества локомотивов

 Каждый из востребованных (выше описанных) локомотивов позволяют выполнять пассажирские и грузовые перевозки, также и для выполнения маневренных работ они справляются в той или иной степени эффективно.

 Учитывая преимущественные характеристики каждого вида локомотивов, в выборе экономического и менее требовательного в технической эксплуатации, преимущества перепадают на электровоз. Для рельсовой техники на электрической основе, нет надобности в частом обеспечении топливом и водой. Тем самым представляется возможным совершать длительные безостановочные рейсы. Разновидность электровозов имеет в составе вид: маломощные машины, работающие на аккумуляторе или с помощью тех же контактных сетей.

 Газотурбовозы более ресурсоемки по сравнению с паро- и электровозами, но они также великолепно способствуют совершению безостановочных рейсов.

 Тепловозы преимущественней за счет использования независимой дизельной установки, но в связи с экономическими перепадами в области нефтяных компаний, топливо не оправдывает себе стоимость использования тепловоза на длительные расстояния транспортировки пассажиров и/или грузов.

 h5: Востребованные сферы применения локомотивов

 Основные виды применяемых локомотивов, являются магистральные, которые используются практически в каждом городе в повседневной жизни. Благодаря электро- и тепловозам весьма качественно осуществляется транспортировка пассажиров в окрестностях города, между городами и странами.

 Локомотивы широко применимы во многих странах для экспорта и импорта зарубежных товаров. Профессиональные машинисты, выполняющие управление тем или иным видом локомотива, проводят длительные безостановочные рейсы, соблюдая правила остановки на контрольных пунктах. Все транспортировки проводятся по заранее составленному графику под контролем диспетчеров.

prolokomotiv.ru

Классификация и обозначение серий локомотивов, дизель поездов

- это самоходное, рельсовое, транспортное средство, предназначенное для создания силы тяги и передвижения по рельсам вагонов, а также другой несамоходной техники.

К основным типам локомотивов относят:

Ø ПАРОВОЗЫ

 

Ø ТЕПЛОВОЗЫ

 

Ø ЭЛЕКТРОВОЗЫ

 

Ø ГАЗОТУРБОВОЗЫ

 

К ОТДЕЛЬНОЙ КАТЕГОРИИ МВПС ОТНОСЯТ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА И ДИЗЕЛЬПОЕЗДА.

- это автономный тяговый подвижной состав, так как энергия, необходимая для приведения его в движение вырабатывается непосредственно на локомотиве, дизельным двигателем.

 

Локомотивы принято классифицировать:

по роду службы,

ширине колеи,

типу кузова,

числу секций и некоторым другим признакам.

 

ПО РОДУ СЛУЖБЫ локомотивы делятся на:

ГРУЗОВЫЕ

 

ПАССАЖИРСКИЕ

 

МАНЕВРОВЫЕ

 

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ

К универсальным относятся грузопассажирские и маневровые локомотивы.

 

ПРОМЫШЛЕННЫЕ

 

Локомотивы, работающие в грузовой и пассажирской службах, называются поездными или магистральными.

ПО ТИПУ КУЗОВА:

· С НЕСУЩЕЙ РАМОЙ И СЪЕМНЫМ КУЗОВОМ:

 

· С ЦЕЛЬНОНЕСУЩИМ КУЗОВОМ, КОГДА РАМА, БОКОВЫЕ СТЕНЫ И КРЫША РАБОТАЮТ КАК ОДНО ЦЕЛОЕ.

 

Съемный кузов может быть вагонного или капотного типа. Кузов вагонного типа (рис. 6.5) обеспечивает доступ локомотивной бригады к силовому оборудованию во время движения без выхода из кузова. Это улучшает условия работы бригады и аэродинамику поезда. Поэтому кузовами такого типа оборудуются в основном поездные локомотивы.

В кузове капотного типа (рис. 6.6.) боковые стенки и крыша закрывают лишь силовые агрегаты, что обеспечивает хороший обзор из кабины машиниста, но при этом ухудшается аэродинамика, особенно при высоких скоростях. Поэтому локомотивы с таким типом кузова используют в основном для маневровой службы.

ПО ЧИСЛУ СЕКЦИЙ локомотивы бывают односекционные, двухсекционные и многосекционные (рис. 6.7). Как тепловозы, так и электровозы любой мощности можно соединит по две или более единицы с управлением из одной секции. Такое их использование в поездной службе называют работой по системе многих единиц.

ПО ТИПУ ПЕРЕДАЧИ вращающего момента от тягового двигателя на ось колесной пары локомотивы бывают с электрической

Гидравлической, гидромеханической передачей,

 

ПО ТИПУ ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТИ локомотивы делятся на тележечные и бестележечные. К бестележечным относятся паровозы и тепловозы малой мощности (ТГМ1,ТГМ23).

Все современные локомотивы — тележечного типа.

Для характеристики количества, расположения и назначения осей применяется осевая формула. В осевой формуле для локомотивов тележечного типа цифра указывает число осей в тележке. Знак «о», расположенный в индексе цифры, означает, что каждая ось ведущая, то есть имеет индивидуальный тяговый электродвигатель. Количество цифр означает число тележек. В осевой формуле тепловозов с гидропередачей возле цифры знак «о» не ставится. Знаки «-» или «+» указывают на отсутствие или наличие жесткой связи между тележками.

Например: 2о-2о (локомотив имеет две двухосные тележки, каждая ось — ведущая; З(Зо-Зо) — трехсекционный локомотив, в каждой секции две трехосные тележки, каждая ось ведущая; 2о+2о-2о+2о — локомотив имеет четыре двухосные тележки, каждая ось ведущая, каждая пара тележек имеет жесткую связь; 2(2-2) — локомотив с гидропередачей, двухсекционный, имеет двухосные тележки.

ЛОКОМОТИВЫ РАЗЛИЧАЮТ ТАКЖЕ ПО СЕРИЯМ. Серия локомотива — это обозначение локомотивов, построенных по одному проекту.

Серии паровозов: СО (Серго Орджоникидзе), ФД (Феликс Дзержинский), ИС (Иосиф Сталин), Л (Лебеденский), П36 (Победа), О (основной).

Серии тепловозов: Т — тепловоз; Э — электрическая передача; Г — гидравлическая передача; П — пассажирский; М — маневровый.

Цифры в серии после буквенного обозначения указывают номер серии тепловоза и завод-изготовитель (с № 1 по 49 — Харьковский завод, с № 50 по 99 — Коломенский завод, с № 100 и выше — Луганский завод). Цифра перед буквой обозначает количество секций в тепловозе. Например 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ2, ТГМ11.

Похожие статьи:

poznayka.org

 

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается трехсекционных автономных локомотивов. Локомотив трехсекционный автономный, содержит две секции, которые оборудованы энергетическими установками с двигателями, использующими в качестве основного жидкое или газообразное топливо, и третью секцию-тендер, которая оборудована емкостью для хранения и транспортирования основного топлива обоих двигателей. Колесные пары всех трех секций локомотива оборудованы тяговыми электродвигателями. Номинальная мощность двигателя одной из секций составляет от 15 до 50 процентов номинальной мощности двигателя второй секции, тяговые электрогенераторы, приводимые во вращение двигателями двух секций локомотива, электрически соединены через преобразователи тока с каждым из тяговых электродвигателей всех трех секций локомотива. Двигатель меньшей мощности может быть выполнен способным работать на двух видах топлива, например, как газодизель. В качестве двигателя большей мощности может быть применен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания или газотурбинный двигатель. Техническим результатом полезной модели является увеличение мощности и силы тяги локомотива, снижение удельного расхода топлива на режимах малых нагрузок и холостого хода, повышение коэффициента полезного действия локомотива, уменьшение рисков остановки составов, связанных с неисправностями основной топливной системы двигателей.

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается трехсекционных автономных локомотивов.

Известны трехсекционные локомотивы-тепловозы типа 3ТЭ10, каждая из секций которых оснащена энергетической установкой с двухтактным дизелем 10Д100 мощностью 2206 кВт, использующим жидкое дизельное топливо. Дизели приводят во вращение тяговые генераторы постоянного тока. Каждый тяговый генератор электрически соединен с тяговыми электродвигателями своей секции. Способ работы тепловозов типа ЗТЭЮ заключается в запуске каждого из двигателей и их совместной или раздельной работе на режимах тепловозной характеристики при контроллерном управлении с пульта машиниста одной из секций. («Тепловозы СССР». Отраслевой каталог 18-5-88, Минтяжмаш, М., 1988, с.17-19).

Недостатками трехсекционных локомотивов этого типа являются:

- ограниченный уровень общей мощности локомотива, определяемый применением в каждой из секций поршневых двухтактных дизелей одинаковой и ограниченной по величине мощности, которая при реализуемых в условиях локомотива габаритах и массах двигателей ограничена уровнем 2000-2200 кВт;

- повышенные расходы жидкого дизельного топлива и дизельного масла; - значительные выделения с выпускными газами вредных веществ, что свойственно двухтактным дизелям данного типа.

Известен образец трехсекционного автономного локомотива-газотепловоза 2ТЭ116Г производства Луганского завода. Локомотив включает три секции, из которых две оснащены однотипными энергетическими установками с четырехтактными газодизелями мощностью по 2206 кВт, работающими с использованием сжиженного природного газа в качестве основного топлива и приводящими во вращение синхронные тяговые генераторы. Каждый тяговый электрогенератор электрически соединен через преобразователи тока с тяговыми двигателями своей секции. Третья секция локомотива-тендер расположена между секциями, оснащенными газодизелями, и содержит криогенные емкости с запасом сжиженного природного газа (СПГ), а также оборудование для его газификации. Для нагревания и газификации СПГ секция-тендер снабжена теплообменниками, соединенными гибкими шлангами с системами жидкостного охлаждения двигателей. Газодизели локомотива кроме основного - газового топлива используют к качестве запального жидкое дизельное топливо. Секция-тендер не имеет обмоторенных колесных пар. («Газотепловозы. Опыт и перспективы развития». Л.М.Бондаренко и др. Труды ВНИТИ, Коломна, 1999 г., вып.79, с.419-422).

При работе трехсекционного локомотива-газотепловоза 2ТЭ116Г производится последовательный запуск двигателей и их работа на режимах тепловозной характеристики при контроллерном управлении с пульта управления одной из секций, оборудованных газодизелями.

Недостатками указанного локомотива являются:

- ограниченный уровень общей мощности локомотива, определяемый применением в каждой из двух секций газодизелей, мощность которых при реализуемых в условиях локомотива габаритах и массах двигателей ограничена;

- ограниченное тяговое усилие ввиду отсутствия обмоторенных колесных пар у секции-тендера, что не позволяет использовать массу тендера для увеличения силы тяги локомотива;

-равенство номинальных мощностей двигателей обоих секций, оснащенных газодизелями, ограничивающее возможность оптимизации режимов работы двигателей при изменении весов и условий движения состава;

- разобщенность секций, оснащенных газодизелями, между которыми размещается секция-тендер с емкостью СПГ, что затрудняет действия локомотивной бригады.

Известен трехсекционный автономный локомотив-газотурбовоз, производства фирм «Дженерал Электрик» и АЛКО (США) мощностью 8500 л.с., принятый в качестве прототипа. Локомотив содержит секцию А, в которой размещены кабина машиниста, энергетическая установка меньшей мощности в виде вспомогательного дизель-генератора, работающего на дизельном топливе, с номинальной мощностью 1000 л.с., что составляет менее 12% мощности энергетической установки газотурбинного двигателя (ГТД) секции Б газотурбовоза. На секции размещены также система охлаждения вспомогательного дизеля и масла ГТД, вентиляторы воздушного охлаждения тяговых двигателей, аппаратура управления, реостатный тормоз, бак с дизельным топливом.

Секция Б оборудована энергетической установкой большей мощности - ГТД мощностью 8500 л.с., работающим на тяжелом нефтяном топливе - мазуте. Приводимый ГТД тяговый электрогенератор электрически соединен с тяговыми двигателями секций А и Б. Колесные пары секций А и Б оснащены тяговыми электродвигателями.

В третьей секции-тендере газотурбовоза хранится в нагретом состоянии в теплоизолированной емкости и транспортируется тяжелое топливо - мазут. Топливо подается по трубопроводу из секции-тендера в секцию Б, оснащенную ГТД. Колесные пары секции-тендера тяговыми электродвигателями не оборудованы.

Газотурбинный двигатель работает на всех режимах тяги поездов. Двигатель меньшей мощности - вспомогательный дизель-генератор для повышения тяговой мощности локомотива при вождении составов не используется. («Газотурбинная тяга: история и перспективы». Авторы В.С. Коссов, Э.И. Нестеров. Журнал «Локомотив 3, 2005 г., стр.41).

Недостатками указанного трехсекционного локомотива являются:

- мощность вспомогательного дизель-генератора значительно меньше мощности основного двигателя - ГТД и не используется на тягу составов;

- усложнение топливной системы, системы управления энергетической установкой газотурбовоза и технологии экипировки локомотива вследствие применения двигателями большей и меньшей мощности различных видов топлива - соответственно мазута и дизельного топлива;

-масса секции-тендера, колесные пары которой не оборудованы тяговыми электродвигателями, не используется для увеличения силы тяги локомотива;
-низкий коэффициент полезного действия локомотива при работе двигателя большей мощности - ГТД на режимах малых и средних нагрузок и на холостом ходу.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение мощности и силы тяги локомотива, снижение удельного расхода топлива на режимах малых нагрузок и холостого хода, повышение коэффициента полезного действия локомотива, уменьшение рисков остановки составов, связанных с неисправностями основной топливной системы двигателей локомотива.

Указанный технический результат достигается тем, что локомотив трехсекционный автономный, содержит две секции, которые оборудованы энергетическими установками с двигателями, использующими в качестве основного жидкое или газообразное топливо и приводящими тяговые электрогенераторы, и тяговыми электродвигателями, третью секцию-тендер, которая оборудована емкостью для хранения и транспортирования основного топлива обоих двигателей, номинальная мощность двигателя одной из секций составляет от 15 до 50 процентов номинальной мощности двигателя второй секции, колесные пары третьей секции-тендера оборудованы тяговыми электродвигателями, тяговые электрогенераторы, приводимые во вращение двигателями двух секций локомотива, электрически соединены через преобразователи тока с каждым из тяговых электродвигателей всех трех секций локомотива.

Двигатель меньшей мощности может быть выполнен способным работать на двух видах топлива. В качестве двигателя большей мощности может быть применен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания или газотурбинный двигатель. В качестве двигателя меньшей мощности может быть применен газодизель.

На чертеже изображен локомотив трехсекционный автономный. Локомотив трехсекционный автономный содержит:

- секцию 1, которая оборудована энергетической установкой-двигателем меньшей мощности 2, приводящим во вращение тяговый электрогенератор 3,

- секцию 4, которая оборудована энергетической установкой-двигателем большей мощности 5, приводящим во вращение тяговый электрогенератор 6;

- секцию-тендер 7, которая содержит емкость 8 основного топлива двигателей 2 и 5;

- топливопровод 9 для передачи основного топлива двигателей 2 и 5 из топливной емкости 8 секции-тендера 7 в секции 4 и 1 для двигателей 5 и 2 соответственно.

Секции 1, 4 и секция-тендер 7 оборудованы колесными парами 10 с тяговыми электродвигателями 11. Тяговые электрогенераторы 3 и 6, приводимые соответственно двигателем меньшей мощности 2 в секции 1 и двигателем большей мощности 5 в секции 4, электрически соединены через преобразователи тока (на чертеже не показаны) с каждым из тяговых электродвигателей 11 секций 1, 4 и секции-тендера 7 локомотива.

Величина номинальной мощности двигателя 2 меньшей мощности установлена равной не менее 15% и не более 50% величины номинальной мощности двигателя 5 большей мощности.

Работа локомотива трехсекционного автономного осуществляется следующим способом.

При подготовке локомотива к работе топливную емкость 8 секции 7 заполняют топливом. Топливо подают по топливопроводу 9 к двигателю меньшей мощности 2 на секции 1 и двигателю большей мощности на секции 4. Производят запуск двигателя 2 и осуществляют электропитание от тягового генератора 3 всех вспомогательных систем локомотива и тяговых двигателей 11 для подачи локомотива к составу. Для начала движения состава мощность двигателя 2 повышают до номинального значения. Соответствующая электрическая мощность тягового генератора 3, передается на тяговые двигатели 11 и обеспечивает трогание состава с места и начало движения состава со скоростью, определяемой массой состава и мощностью, передаваемой тяговым двигателям 11. Для повышения тяговой мощности локомотива в соответствии с массой состава и требуемой скоростью разгона и ведения состава автоматически осуществляется запуск двигателя большей мощности 5 на секции 4, питание тяговых двигателей 11 от тягового генератора 6, разгон и ведение состава.

После приема двигателем большей мощности 5 нагрузки, соответствующей номинальной мощности двигателя 2, двигатель меньшей мощности 2 останавливают или переводят на режим холостого хода. Питание тяговых двигателей 11 и вспомогательных систем локомотива осуществляется за счет работы двигателя большей мощности 5 с тяговым электрогенератором 6. При необходимости повышения мощности энергетической установки локомотива выше номинальной мощности двигателя 5, запускают двигатель 2 и за счет электрической мощности тягового генератора 3, передаваемой тяговым электродвигателям 11 локомотива, увеличивают используемую на тягу мощность энергетической установки локомотива на 15%-50% сверх номинальной мощности двигателя 5. При необходимости уменьшения мощности энергетической установки локомотива до уровня номинальной мощности двигателя 5 останавливают или переводят на режим холостого хода двигатель 2. При необходимости уменьшения мощности энергетической установки локомотива до уровня мощности двигателя 2 запускают двигатель меньшей мощности 2 и останавливают двигатель большей мощности 5. При необходимости прекращения работы энергетической установки локомотива первым останавливают двигатель большей мощности 5. При ведении составов с малой массой используют только двигатель меньшей мощности 2 с тяговым электрогенератором 3, имеющий более высокий коэффициент полезного действия (КПД) в сравнении с КПД двигателя 5 большей мощности на режимах малой мощности. Работа двигателя 5 большей мощности на режимах малых нагрузок и холостого хода не производится.

Полезная модель локомотива трехсекционного автономного, оснащенного двигателем большей мощности 5 и двигателем меньшей мощности 2, номинальная мощность которого составляет от 15% до 50% номинальной мощности двигателя большей мощности 5 и используется для питания тяговых электродвигателей при ведении составов, позволяет исключить работу двигателя большей мощности 5 на режимах малых нагрузок и холостого хода, при которых расход топлива двигателей большей мощности существенно превышает соответствующий расход топлива двигателей меньшей мощности. Поэтому предлагаемый трехсекционный автономный локомотив обеспечивает значительное уменьшение эксплуатационного расхода топлива на тягу поездов.

Благодаря тому, что колесные пары 10 третьей секции-тендера 7 оснащены тяговыми электродвигателями 11, которые электрически соединены с тяговыми электрогенераторами 3 и 6 соответственно двигателя меньшей мощности 2 и двигателя большей мощности 5, масса секции-тендера 7 локомотива используется для увеличения силы тяги локомотива, которая повышается в сравнении с силой тяги локомотива-прототипа на 20-30%.

Двигатели меньшей и большей мощности соответственно 2 и 5 используют в качестве основного топлива одно из топлив: дизельное топливо, или мазут, или природный газ, что позволяет упростить топливную систему локомотива в сравнении с прототипом.

Двигатель меньшей мощности 2 может быть выполнен двухтопливным - способным работать на топливах двух видов, например, газообразном и жидком топливе (на чертеже не показано), что снижает риски, связанные с проблемами использования некоторых видов топлива (мазута, криогенного газового топлива). В случае отказа топливной системы основного топлива двухтопливность двигателя меньшей мощности 2 снижает риск срыва движения (порчи) состава, который может транспортироваться с использованием двигателем 2 топлива второго вида. В качестве двухтопливного двигателя меньшей мощности на локомотиве может быть использован, например, газодизель. В качестве двигателя большей мощности на локомотиве может быть применен, например, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания или газотурбинный двигатель.

Применение в составе локомотива трехсекционного автономного секции, оборудованной двигателем с номинальной мощностью, равной 15%-50% номинальной мощности двигателя другой секции локомотива, существенно увеличивает общую мощность энергетической установки локомотива при совместной работе двигателей большей и меньшей мощности. При достигнутой агрегатной мощности энергетических установок автономных локомотивов и указанном соотношении мощностей двух двигателей общая мощность энергетической установки предлагаемого локомотива может составить более 10000 кВт и превысить мощность прототипа - трехсекционного газотурбовоза фирмы Дженерал Электрик на 50 процентов. В то же время двигатель меньшей мощности обеспечивает вождение поездов небольшой массы и исключает работу двигателя большей мощности на неэкономичных для него режимах малых нагрузок и холостого хода.

1. Локомотив трехсекционный автономный, содержащий две секции, которые оборудованы энергетическими установками с двигателями, использующими в качестве основного жидкое или газообразное топливо и приводящими тяговые электрогенераторы, и тяговыми электродвигателями, третью секцию - тендер, которая оборудована емкостью для хранения и транспортирования основного топлива обоих двигателей, отличающийся тем, что номинальная мощность двигателя одной из секций составляет от 15 до 50% номинальной мощности двигателя второй секции, колесные пары третьей секции - тендера оборудованы тяговыми электродвигателями, тяговые электрогенераторы, приводимые во вращение двигателями двух секций локомотива, электрически соединены через преобразователи тока с каждым из тяговых электродвигателей всех трех секций локомотива.

2. Локомотив трехсекционный автономный по п.1, отличающийся тем, что двигатель меньшей мощности выполнен способным работать на двух видах топлива.

3. Локомотив трехсекционный автономный по п.1, отличающийся тем, что в качестве двигателя большей мощности применен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания или газотурбинный двигатель.

4. Локомотив трехсекционный автономный по п.1, отличающийся тем, что в качестве двигателя меньшей мощности применен газодизель.

poleznayamodel.ru

Гибридный локомотив с несколькими двигателями

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и направлено на создание гибридной системы энергоснабжения локомотива. Локомотив имеет множество двигателей внутреннего сгорания для приведения в действие множества генераторов электрической энергии, которые подают электрическую энергию, по меньшей мере, одной тяговой батарее. Батарея соединена с возможностью подачи энергии множеству электрических тяговых двигателей, связанных приводной связью с соответствующими из множества наборов осями колес локомотива. По меньшей мере, одно устройство управления тяговым двигателем соединено для управления мощностью с электрическим тяговым двигателем. Контроллер локомотива установлен для передачи электрической энергии от генераторов энергии к батарее и определяет доступную энергию в батарее и потребность в мощности от тяговых приводов для запуска выбранных из множества двигателей внутреннего сгорания для заряда батареи. Технический результат заключается в повышении эффективности использования топлива и снижении вредных выбросов в окружающую среду. 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области локомотивов, а более конкретно к локомотивам, снабжаемым энергией посредством электрических тяговых двигателей, в которых электрическая энергия подается к двигателям через батареи, заряжаемые генератором, возбуждаемым топливным двигателем.

Уровень техники

Существующие железнодорожные локомотивы в типичном варианте снабжаются энергией дизельными электрическими системами, в которых дизельный двигатель запускает электрический генератор, чтобы произвести электрическую энергию, чтобы подавать питание к электродвигателям, которые приводят в движение ведущие колеса локомотива. Недавно возрос интерес к созданию модифицированного локомотива, в котором электрическая энергия подается через устройство накопления энергии, такое как батарея, которая соединена для зарядки с генератором, по необходимости использующим топливный двигатель, такой как дизельный двигатель, газовая турбина, двигатель на сжиженном природном газе (LNG), бензиновый двигатель или даже водородный двигатель внутреннего сгорания (ICE). Такой подход известен в автомобильной промышленности как “гибридное” транспортное средство. Эти гибридные транспортные средства имеют преимущество улучшенной эффективности использования топлива и пониженного загрязнения.

Одна попытка создать гибридный локомотив раскрыта в патенте США № 6308639 (патент '639). Патент '639 раскрывает локомотив, в котором генератор на газовой микротурбине обеспечивает ток перезаряда для батареи. Раскрытый локомотив имеет традиционный тяговый привод, использующий множество электрических тяговых двигателей, каждый из которых связан тяговой связью с соответствующей одной из приводимых в движение осей локомотива. Контроллер тяговой мощности управляет тяговыми двигателями, использующими энергию от бортовой батареи. Генератор, приводимый газовой микротурбиной, электрически связан с батареей для поддерживания батареи в заряженном состоянии. Генератор и связанная газовая турбина управляются в ответ на состояние заряда батареи. Фиг.1 иллюстрирует систему энергоснабжения патента '639, в которой колеса 12 локомотива приводятся в движение электрическими тяговыми двигателями 14. Электрическая мощность для тяговых двигателей подается аккумуляторной батареей 16 и управляется контроллером 18 тяговой мощности, который может использовать широтно-импульсную модуляцию, чтобы регулировать мощность, в ответ на информацию о дросселе и направлении от машиниста. Батарея 16 заряжается генератором 22 на микротурбине, который содержит газовую микротурбину 24, связанную с генератором 26 переменного тока. Управление микротурбинным генератором осуществляется бортовым PLC 30 (контроллером на программируемой логике), который наблюдает за состоянием заряда батареи, окружающей температурой и имеет часы/календарь для компенсации заряда батареи. Когда батарея достигает своего напряжения газообразования, которое представляет высокое состояние заряда, микротурбинный генератор прекращает работу. Наоборот, когда заряд батареи 16 падает ниже определенного уровня, микротурбина запускается. Высокое состояние заряда будет происходить только для поддержания компенсации заряда батареи, когда все ячейки доведены до полного заряда. Таким образом, микротурбина 24 калибруется так, что она будет работать под постоянной нагрузкой при максимальной выходной мощности в течение длительного периода времени. Вспомогательные нагрузки выдаются из источника заряда батареи при номинальных 600 В постоянного тока, который преобразуется инвертором 32 в 480 В переменного тока, чтобы запустить воздушный компрессор 34 локомотива, нагнетательный вентилятор 36 тягового двигателя и устройство 38 заряда батареи до 75 В, который используется, чтобы зарядить 64 В батарею для органов управления электропитанием и освещения.

Система, раскрытая в патенте '639, создана для маневровых локомотивов, которые не требуют долгосрочной постоянной мощности, а скорее имеют кратковременные требования мощности, которые разрешают производить постоянный перезаряд батареи относительно небольшим генератором. Соотношение емкости накопления энергии аккумуляторной батареи 16 к источнику 22 энергии заряда важно, чтобы минимизировать стоимость, потребление топлива и выделение загрязнений микротурбины 24. Соотношение накопления энергии в кВтч с мощностью подзаряда в кВт может выражаться как количество часов. Оптимальная производительность раскрытой системы установлена такой, чтобы иметь 8-часовой период тока заряда или длиннее, представляющим максимум в 125 кВт мощности подзаряда на каждые 1000 кВтч накопления батареи. Идеально, микротурбина в этих ситуациях будет работать непрерывно в течение, по меньшей мере, 1/2 часа и предпочтительно без остановки, т.е. непрерывно в течение 100 часов или более.

Краткое описание чертежей

Для более лучшего понимания настоящего изобретения ссылка может быть сделана к последующему подробному описанию, взятому вместе с сопровождающими чертежами, на которых:

Фиг.1 иллюстрирует систему энергоснабжения гибридного локомотива предшествующего уровня техники;

Фиг.2 является блок-схемой системы энергоснабжения гибридного локомотива в одной форме настоящего изобретения;

Фиг.3 является блок-схемой системы энергоснабжения гибридного локомотива во второй форме настоящего изобретения;

Фиг.4 иллюстрирует сравнение коэффициента полезного действия (КПД) для осуществления гибридного локомотива, использующего большой один APU, двойные APU, - каждый рассчитан при 50% общей расчетной мощности, и три APU, - каждый рассчитан при 33% общей расчетной мощности;

Фиг.5 иллюстрирует обычную работу гибридного локомотива;

Фиг.6 иллюстрирует работу гибридного локомотива с отказом APU;

Фиг.7 иллюстрирует работу гибридного локомотива с увеличенной расчетной емкостью APU;

Фиг.8 является блок-схемой сигналов датчика системы управления энергией гибридного локомотива и управления мощностью;

Фиг.9 является блок-схемой управления мощностью APU гибридного локомотива.

Подробное описание изобретения

Обращаясь к фиг.2 (показана упрощенная иллюстрация в формате блок-схемы одной формы настоящего изобретения), будет оценено, что все элементы на фиг.2, за исключением блока 12, указывающего внешний источник энергии, являются частями локомотива. Локомотив (не показан) может быть маневровым или другим коротким ведущим железнодорожным локомотивом, имеющим множество приводимых в движение осей, связанных с колесами локомотива.

В типичном варианте локомотив включает в себя тележки, на которых установлены пара или более осей. Кроме того, является общепринятым иметь отдельный электрический тяговый двигатель для каждой приводимой в движение оси локомотива, хотя известны другие размещения, такие как один двигатель на каждую тележку или один двигатель на каждый элемент управления. На фиг.2 локомотив показан, как имеющий четыре электрических тяговых двигателя 14, хотя другие количества также являются общепринятыми. Каждый двигатель 14 управляется отдельным соответствующим устройством 16 управления тягового двигателя. Устройства 16 управления могут быть PWM, прерывателем или регулятором фазы, все из которых хорошо известны в технике. Электрическая мощность подается двигателям 14 через устройства 16 управления из устройства 18 накопления энергии, которое может быть батареей или другой подходящей системой накопления энергии. Тяговое устройство 16 управления может быть размещено в соотношении один к одному с соответствующим тяговым двигателем или каждое размещено, чтобы предоставлять энергию определенным группам двигателей, например, всем двигателям на одной тележке.

Устройство 18 заряжается и перезаряжается из системы генераторов энергии, показанной как множество модулей 20 генераторов переменного тока/выпрямителей/регуляторов напряжения. Каждый из модулей 20 приводится в движение соответствующим топливным двигателем 22 внутреннего сгорания, таким как небольшой дизельный двигатель или газовая турбина. Как указано, существует множество таких модулей двигатель/генератор, и число таких модулей может быть выбрано в зависимости от определенного диапазона применений, которые должны быть обеспечены локомотивом. Отметим, что каждый двигатель 22 может также быть соединен управляющей связью с соответствующим воздушным компрессором 24 для поддержания давления воздуха в баллоне 26 сжатого воздуха, общем для всех компрессоров. Двигатель 22 может также быть соединен с другими вспомогательными нагрузками. Выход электрической мощности каждого модуля 20 генератора переменного тока присоединен к блоку 28 выбора источника мощности и управления потоком мощности. Блок 28 управления суммирует мощность из всех источников и/или выбирает источник мощности, включающий в себя мощность от внешнего источника 12, и подает мощность устройству 18 накопления энергии. Блок 28 управления также определяет потребность в мощности от тяговых двигателей и состояние заряда устройства 18, чтобы определить, когда и сколько двигателей 22 должно быть активировано, чтобы зарядить устройство 18.

Альтернативный вариант осуществления системы на фиг.2 показан на фиг.3. В этом альтернативном варианте осуществления изобретения тяговые двигатели 14 и ассоциативно связанные устройства 16 управления сгруппированы в отдельных модулях 30, 32. Модулями могут быть все двигатели на одной тележке локомотива или некоторое другое выбранное размещение. В этом варианте осуществления изобретения каждый модуль 30, 32 имеет свое собственное устройство 18a, 18b накопления энергии, и каждое устройство 18a, 18b заряжается от отдельного одного из двигателей 22 через отдельный один из блоков 28 управления потоком мощности. Внешний источник 12 мощности связан с каждым из блоков 28 управления. Также предполагается, что может быть предусмотрена взаимная связь 34 между устройствами 18a, 18b накопления энергии, чтобы позволить передачу энергии в случае отказа системы в одном силовом агрегате. Также предполагается, что система может быть размещена так, что ось имеет отдельное перезаряжаемое устройство накопления энергии, и что каждое устройство накопления энергии может быть перезаряжаемым от независимого двигателя/модуля генератора переменного тока, или группы устройств могут перезаряжаться от одного общего модуля.

Переходя теперь к фиг.4, показан график КПД двигателя/генератора переменного тока как функция процента полной нагрузки. Предполагая, что полная нагрузка равна 100 киловатт (100 кВт), одна комбинация двигателя/генератора переменного тока создает кривую КПД, указанную ссылкой с номером 40. Может быть видно, что КПД не достигает максимума, пока нагрузка не достигнет более 60 процентов. Если один двигатель/генератор переменного тока заменяется двумя модулями, производящими по 50 кВт, кривая КПД появляется, как показано в ссылке с номером 42, где максимальный КПД достигается при менее чем 40 процентов полной нагрузки. Добавление дополнительного модуля двигателя/генератора переменного тока, где каждый имеет производительность полной нагрузки в 33 кВт, имеет, в результате, кривую КПД, приближающуюся к кривой 44, где максимальный КПД достигается при нагрузке приблизительно в 20 процентов полной нагрузки. Более того, этот более высокий КПД сохраняется по более широкому диапазону нагрузок. Преимущество наличия нескольких двигателей более низкой мощности превышает КПД и также имеет, в результате, более низкие выбросы. Кроме того, в цикле заряда батареи выбросы могут быть дополнительно уменьшены за счет уменьшения во времени заряда батареи.

Фиг.5 иллюстрирует идеальный график заряда/разряда батареи гибридного локомотива. Заряд батареи указан по Y или вертикальной оси, в то время как время представлено вдоль X или горизонтальной оси. В каждом цикле заряда/разряда, указанном позицией 46, батарея разряжается приблизительно до 40 процентов полного заряда и затем перезаряжается в течение некоторого периода времени до состояния полного заряда. Другими словами, каждая из задач локомотива является короткой по продолжительности, приблизительно 40 минут в иллюстративном примере, и скорость заряда батареи является постоянной, чтобы перезарядить батарею приблизительно в течение 60 минут. В этом примере одной комбинации двигателя/генератора переменного тока достаточно, чтобы поддерживать производительность локомотива.

К несчастью, все задачи локомотива неидеальны. Фиг.6 иллюстрирует результаты повторяющихся задач, не позволяющих полностью перезарядить батарею. Это может происходить из-за отказа в источнике энергии (следовательно, уменьшенной мощности для заряда) или из-за большой нагрузки. Как показано графиком, позиция 48, первая задача разряжает батарею приблизительно до 30 процентов, и батарея достигает только приблизительно 80 процентов заряда перед тем, как начинается новая задача, позиция 50. Батарея разряжается приблизительно до 15 процентов заряда, позиция 52, перед началом цикла перезаряда. Хотя существует длительный период времени между окончанием задачи, позиция 52, и началом следующей задачи, позиция 54, батарея все еще не достигает состояния полного заряда перед тем, как начинается следующая задача. Эта задача разряжает батарею приблизительно до 20 процентов, позиция 58, но существует только короткий цикл заряда, пока не начнется следующая задача, позиция 60. Эта последняя задача истощает заряд батареи до нуля, заканчиваясь неудачей задачи, позиция 62. В этот момент локомотив выходит из строя и нуждается в длительном времени для восстановления батареи с помощью одной комбинации двигателя/генератора переменного тока.

Фиг.7 иллюстрирует одно из преимуществ системы с несколькими двигателями/генераторами переменного тока для гибридного локомотива. В этом примере скорость разряда батареи, позиция 64, показана как более высокая, чем на фиг.6, а скорость перезаряда, позиция 66, является гораздо более высокой из-за добавленной производительности нескольких заряжающих модулей двигателя/генератора переменного тока. Соответственно, даже если циклы разряда являются более высокими, чем на фиг.6, скорость перезаряда является большой, достаточной, чтобы позволить батарее полностью зарядиться между каждым событием разряда или задачей. Если скорость перезаряда не была увеличена, все задачи могут быть не выполнены.

Следует принимать во внимание, что модули двигателя/генератора переменного тока, такие как модули 20 на фиг.2, будут запускаться всякий раз, когда уровень накопленной энергии падает ниже некоторого предустановленного уровня. Это гарантирует, что, по меньшей мере, некоторая часть энергии, используемой локомотивом, пополнится модулями 20 в течение цикла перезаряда. Альтернативно, можно рассмотреть систему на фиг.2 как созданную для доступной мощности от модулей двигателя/генератора переменного тока. Например, если локомотив требует 2000 л.с. и предполагается конструкция из трех двигателей/генераторов переменного тока, доступная тяговая мощность от модулей 20 равна только 400 л.с. на модуль при общей мощности в 1200 л.с., дефицит мощности может быть восполнен системой накопления энергии, либо перезаряжаемыми батареями, либо маховым колесом, либо емкостным накопителем энергии. Если существует только два модуля двигателя/генератора переменного тока, дефицит мощности является более большим (несмотря на то, что литраж двигателя увеличен с принесением в жертву КПД), и локомотив способен произвести такую же мощность в течение более короткого периода времени и может требовать более продолжительного периода времени, чтобы перезарядить устройство накопления энергии.

Фиг.8 и 9 иллюстрируют одну схему управления для системы с несколькими двигателями/генераторами переменного тока на фиг.2. Обращаясь сначала к фиг.8, показан традиционный контроллер 70 по отклонению к интегралу (PI), реагирующий на сигнал от контрольно-измерительного устройства 72 напряжения тяговой батареи и опорное напряжение от блока 74, чтобы создать сигнал ошибки для применения к блоку 76 усиления по напряжению/погрешности напряжения типа хорошо известного в технике. Усиленный сигнал ошибки из блока 76 затем подается блоку 78 ограничения напряжения, и результирующее значение ограниченного сигнала из блока 78 затем передается суммирующему объединению 80. Сигнал напряжения батареи из блока 72 также подается схеме 82 умножения, где он умножается на значение тока тягового двигателя из блока 84 контрольно-измерительного устройства. Результат является мощностью, подаваемой к тяговым двигателям. После обработки через соответствующую схему усиления, блок 86, и схему ограничения мощности, блок 88, сигнал мощности подается к суммирующему объединению 80 для суммирования с сигналом ошибки из блока 78. В то же время напряжение батареи, блок 72a, сравнивается с опорным напряжением из блока 90 и затем обрабатывается через соответствующую схему усиления, блок 92, и схему ограничения мощности, блок 94, и также передается суммирующему объединению 80. Блоки 72a, 90, 92 и 94 составляют схему защиты от перенапряжения тяговой батареи, чтобы предотвратить перезаряд батареи. Выходной сигнал из суммирующего объединения 80 проходит через блок 96 ограничения мощности и становится командным сигналом мощности, именуемым как командный сигнал мощности EMS, для управления приведением в действие модулей 20 двигателя/генератора переменного тока и подается системе на фиг.9.

Фиг.9 иллюстрирует одну форму системы управления для гибридного локомотива с несколькими двигателями/генераторами переменного тока. EMS-сигнал из фиг.8 суммируется в точке объединения 98 со вспомогательным командным сигналом мощности (сформированным традиционным образом, чтобы представить запрос мощности для собственных нужд, чтобы запустить системы, связанные с локомотивом, отличной от тяговой мощности для приводных двигателей), чтобы создать общую потребность в мощности. Этот сигнал передается микропроцессорному контроллеру 100, который запрограммирован, чтобы оптимизировать работу систем локомотива, выборочно приводя в действие модули 20 двигателей/генераторов переменного тока. Процессор может использовать справочную таблицу или другой алгоритм, чтобы определить, когда и как долго каждый модуль двигателя/генератора переменного тока будет активен. Каждый модуль 20 включает в себя контроллер 102, который преобразует командный сигнал мощности от контроллера 100 в соответствующие команды скорости двигателя и команды выходной мощности для генератора переменного тока. Соответствующие команды скорости и мощности подаются соответствующим блокам 104 управления скоростью и блокам 106 регулятора генератора переменного тока. Выходная мощность из каждого генератора переменного тока суммируется в тяговой батарее 18 и подается к силовой шине 108 тяговой мощности локомотива.

1. Гибридная система энергоснабжения локомотива, содержащаямножество двигателей внутреннего сгорания;множество генераторов электрической энергии, каждый из которых связан с возможностью взаимодействия с соответствующим одним из множества двигателей внутреннего сгорания;множество электрических тяговых двигателей, связанных приводной связью с соответствующими из множества наборов осями колес локомотива;по меньшей мере, одно устройство управления тяговым двигателем, соединенное для управления мощностью с электрическими тяговыми двигателями;устройство накопления электрической энергии, соединенное так, чтобы подавать энергию к устройствам управления тяговых двигателей;контроллер электрической энергии, размещенный для передачи электрической энергии от генераторов энергии к устройству накопления электрической энергии, контроллер энергии определяет доступную энергию в устройстве накопления энергии и потребность в мощности от тяговых приводов для приведения в действие выбранных из множества двигателей внутреннего сгорания для заряда устройства накопления энергии.

2. Гибридная система энергоснабжения локомотива по п.1, включающая в себя отдельное устройство управления тягового двигателя для каждой из определенных групп тяговых двигателей.

3. Гибридная система энергоснабжения локомотива по п.2, в которой каждая группа тяговых двигателей содержит один или более двигателей.

4. Гибридная система энергоснабжения локомотива по п.3, в которой тяговые двигатели и ассоциативно связанные тяговые устройства управления размещены в группах из нескольких двигателей, каждая группа двигателей имеет отдельное устройство накопления энергии, и каждое устройство накопления энергии заряжается другим из множества генераторов электрической энергии.

5. Гибридная система энергоснабжения локомотива по п.2, в которой устройство накопления энергии содержит тяговую батарею.

6. Гибридная система энергоснабжения локомотива по п.2, в которой устройство накопления энергии содержит ультра-конденсатор, маховое колесо или сочетание с тяговой батареей и ультра-конденсатором или маховым колесом.

7. Гибридная система энергоснабжения локомотива по п.1, включающая в себя средство управления мощностью системы управления энергией, составленное из контроллера, использующего обнаруженное напряжение из модуля накопления энергии и потребность мощности тягового двигателя, чтобы управлять выборочной работой двигателей внутреннего сгорания.

8. Гибридная система энергоснабжения локомотива по п.7, в которой контроллер создает командный сигнал мощности управления энергией, содержащий сумму первого сигнала, представляющего разницу между напряжением устройства накопления энергии и первым опорным напряжением; сигнала мощности, представляющего потребность мощности тягового устройства управления, и второго сигнала, представляющего разницу между напряжением тяговой батареи и вторым опорным сигналом, представляющим состояние перенапряжения.

9. Гибридная система энергоснабжения локомотива по п.8, в которой контроллер объединяет мощность, требуемую для вспомогательных нагрузок, с мощностью тягового двигателя, чтобы сформировать общую команду мощности для нескольких генераторов энергии.

10. Гибридная система энергоснабжения локомотива по п.9, в которой командный сигнал мощности выводится из справочной таблицы.

11. Гибридная система энергоснабжения локомотива по п.3, в которой устройство накопления энергии содержит множество устройств, каждое из устройств связано, чтобы подавать электрическую энергию к выбранным устройствам управления тяговых двигателей и получать энергию от каждого из генераторов энергии.

www.findpatent.ru


Смотрите также