Неосуществлённые российские проекты тепловозов. Тепловоз какой двигатель


Первые тепловозы

Впервые двигатель внутреннего сгорания, использовавшийся для перемещения локомотива, был сконструирован немецким инженером Готтлибом Даймлером. А демонстрация нового движущегося механизма была произведена 27 сентября 1887 года. Жители Штутгарта и гости города могли своими глазами наблюдать движение мотрисы с узкоколейной трансмиссией, которая приводилась в движение двухцилиндровым двигателем внутреннего сгорания. Изобретение получило популярность, и с некоторыми усовершенствованиями использовалось впоследствии как городской трамвай.

Опыты Дизеля и развитие тепловозостроения

Немецкий изобретатель и инженер Рудольф Дизель в 1909 году разработал первый тепловоз, предназначенный для работы на протяженных линиях. Экспериментальный образец был изготовлен к концу 1912 года, однако его испытаниям не дала завершиться Первая мировая война. А в 1913 году при неясных обстоятельствах Дизель пропал без вести, поэтому за него его работу заканчивали другие.  

В частности, крупная американская компания General Electric в 1913 году предложила свой вариант локомотива, работавшего на бензине. Тем не менее, уже через несколько лет производство этих железнодорожных машин было прекращено из-за дороговизны топлива. Параллельно General Electric разработала дизельный двигатель собственной конструкции, который эксплуатировался на опытных образцах в 1917-1918 годах, однако не получил широкого распространения.  

Вновь о развитии дизельных двигателей заговорили в 1923 году, когда власти Нью-Йорка приняли закон, запрещающий в его пределах эксплуатацию паровозов. Из-за того, что электрическая тяга не окупалась вследствие малого грузо- и пассажирооборота, умы всех производителей вновь обратились к дизелю.

Первые тепловозы для пассажирских перевозок

В конце 1923 года компания General Electric, которая не оставила попыток усовершенствовать свой двигатель внутреннего сгорания, совместно с Ingersoll Rand изготовила демонстрационный тепловоз. А уже в августе следующего года новый локомотив успешно осуществил перевозку 93 пустых вагонов.  

Американский производитель American Locomotive Company или сокращенно ALCO, выпустила свой вариант тепловоза в 1925 году. Новый агрегат получил название AGEIR, данная аббревиатура означала, что к его созданию причастны также General Electric, поставившая электрическое оборудование, и Ingersoll Rand, предоставившая дизельный двигатель.  

Вначале тепловозы в основном были задействованы в маневровых работах, но растущий спрос на пассажирские перевозки быстро перевел их выпуск на новый уровень. Уже в 1928 году первый локомотив, используемый только в пассажирской сфере, появился в результате объединения усилий американских и канадских производственных компаний.

 

www.letopis.info

Первый тепловоз | Дмитрий Панкратов

6 ноября 1924 года — в этот день на путях Октябрьской железной дороги появился первый в мире тепловоз (мощность 1000 лошадиных сил), построенный на ленинградских заводах «Красный путиловец», Балтийском и «Электрик».

5 августа 1924 года из мастерской Балтийского судостроительного завода в Ленинграде вышел в пробную поездку первый в мире магистральный тепловоз, построенный по проекту профессора Электротехнического института Я. Гаккеля. История этого локомотива восходит к 1904 году. Уже тогда необходимость в магистральных тепловозах сознавали многие русские передовые инженеры и ученые. Потому-то Россия и стала родиной оригинальных проектов таких машин.

Ни один из этих проектов в цаской России реализован не был. Однако они вызвали широкую дискуссию в инженерных кругах и в значительной степени содействовали мобилизации сил специалистов и изобретателей. Самым выдающимся из них был Я.Гаккель, известный конструктор, в прошлом участник строительства Петербургского и директор Киевского трамваев.

К разработке своего тепловоза Гаккель приступил в мае 1921 года, когда на железных дорогах Советской Республики не хватало паровозов, вагонов, угля.

Первый проект локомотива с дизельным двигателем мощностью 600 л. с. он представил в Высший технический совет НКПС. Члены совета высказали ряд возражений. Это, однако, не смутило автора, и он обратился к профессорам В. Миткевичу, М. Шателену, Г. Графтио. Они одобрили проект и на заседании Госплана 4 июня 1921 года высказались за его реализацию. Чувствуя поддержку научной общественности и Госплана, Гаккель упорно совершенствовал свой тепловоз. И прежде всего ввел в него дизель мощностью 1000 л. с.

Для всестороннего изучения проблемы при Высшем совете народного хозяйства по решению Госплана создали комитет под председательством профессора Н. Щукина.

О проекте тепловоза Гаккеля председатель Госплана Г. М. Кржижановский сообщил В. И. Ленину. Владимир Ильич сразу оценил важность создания нового локомотива и распорядился немедленно ассигновать средства на его постройку. Уже 4 января 1922 года Совет труда и обороны постановил немедленно разработать условия и порядок передачи» на заводы имеющихся проектов тепловозов для детальной разработки, объявил «Конкурс на выработку наилучшей конструкции тепловоза».

В комитете по изучению и проектированию тепловозов проект Гаккеля тщательно рассмотрели и одобрили, а в феврале 1922 года вместе со сметой направили в Госплан. Изготовление локомотива поручили Теплотехническому институту и НКПС.

19 декабря 1922 года на заводе «Электрик» начали изготовлять тяговые электродвигатели, 20 января 1923 года — — раму и тележки на заводе «Красный путиловец», 23 июня 1923 года — механизмы и кузов на Балтийском заводе. Генераторы ранее изготовил завод «Вольта». Они предназначались для подводной лодки «Язь». Впоследствии Гаккель вспоминал: «Все агрегаты были изготовлены из русских материалов, русскими рабочими, техниками и инженерами». Иностранными на тепловозе были лишь шведские подшипники да английский дизель, снятый с русской подводной лодки «Лебедь». Переделкой и испытаниями дизеля на Балтийском заводе руководил профессор Б. Ошурников.

Завершение работ планировалось на август — сентябрь, но наводнение 23 августа 1924 года сорвало сроки. Все десять электродвигателей локомотива пропитались водой. Пришлось их ремонтировать и восстанавливать. И лишь 4 ноября локомотив в разобранном виде переправили портовым краном через Неву и собрали на погрузочных путях Гуту-евского острова. Через два дня первый машинист тепловоза инженер Б. Дарийский в 14 часов 41 минуту доставил новый локомотив на станцию Ленинград-1 и передал его в депо 1-го участка Службы тяги Октябрьской железной дороги. 7 ноября 1924 года трудящиеся Ленинграда увидели первый в мире магистральный тепловоз. Он совершал пробег до станции Обухове и обратно. Его кузов украшала надпись: «Построен в 1924 г. в Ленинграде по проекту Я. М. Гаккеля. В память В. И. Ленина».

Первичным двигателем на тепловозе служил дизель мощностью 1000 л. с. Его вал соединялся с двумя генераторами независимого возбуждения. Один из них использовался в качестве стартера, питаемого от аккумуляторной батареи на НОВ. У каждого генератора ток достигал 1500 А, а напряжение изменилось от 30 до 380 В. При параллельном соединении генераторов максимальный ток возрастал до 3000 А, а при последовательном — предельное значение напряжения увеличивалось до 760 В. Управление тягой велось за счет параллельного или последовательного включения генераторов и изменения возбуждающего тока. При этом число оборотов вала дизеля не изменялось и поддерживалось постоянным с помощью центробежного регулятора.

Тяговые двигатели — каждый мощностью 100 кВт — подвешивались на пружинах и были связаны с движущимися осями локомотива через одноступенчатые редукторы с передаточным числом 4,625. Тележки для тепловоза создавались под руководством профессора А. Раевского и инженера К. Шишкина. Все три тележки поворачивались, а две крайние еще и перемещались вдоль кузова. Благодаря этому локомотив вписывался в кривые железнодорожного пути радиусом 150 м.

17 января 1925 года тепловоз торжественно встречали в столице. Г. М. Кржижановский в своей речи сказал: «А как рад был бы Владимир Ильич!»

30 декабря 1925 года комиссия НКПС приняла локомотив к эксплуатации. Он водил поезда из Москвы в Курск, Харьков, Баку, Челябинск, Куйбышев. Были и рекордные поездки: 4500 км без захода в депо, вождение тяжелых грузовых поездов через Сурамский перевал на Кавказе. Случались и казусы. Иногда дежурные по станции принимали состав без паровоза и с удивлением узнавали, что «первый вагон» — это и есть магистральный локомотив.

В период проектирования, постройки и испытаний локомотив в честь Гаккеля обозначали ГЭ1. Железнодорожники 20-х годов первенец отечественного тепловозостроения обозначали Юэ № 002, Щ-ЭЛ-1 и, наконец, ЩЭЛ1. Под этим подразумевалось, что он равен по мощности паровозу серии Щ, содержит электрическую передачу, построен первым. Именно этот локомотив открыл «эру магистрального тепловозостроения. Как было записано в приемном акте Государственной комиссии, он «заслуживает быть отмеченным на страницах истории железнодорожной техники».

ОЛЕГ КУРИХИНкандидат технических наук

d-pankratov.ru

Электровоз или тепловоз? - Yvision.kz

Электрические и дизельные локомотивы находят широкое применение в мире. Оба двигателя имеют свою долю преимуществ и недостатков.

Вопреки распространенным мнениям, дизельный двигатель имеет более позднее происхождение, чем электрический двигатель.

Вернер Ван Сименс, немецкий инженер разработал первый электрический двигатель для железной дороги в 1881 году. Технологии в то время использовали обе рельсы, чтобы перевозить грузовой и пассажирский поток, но с тех пор расположение электрических проводов над головой стало нормой по соображениям безопасности. Изобретение дизельных двигателей произошло через 12 лет после изобретения электрического двигателя, Рудольфом Дизелем, другим немецким инженером.

Какой локомотив эффективней? Основным преимуществом электрического двигателя над дизельным в том, что электрический двигатель использует довольно простые технологии. Электрический двигатель питается непосредственно от электрической сети и требует только трансформатора и стабилизатора, чтобы снизить мощность до приемлемого уровня. Дизельные двигатели с другой стороны, используют дизель для вырабатывания энергии, которая затем преобразуется в электричество, а затем снова в кинетическую энергию, образовывая только около 40 % эффективной для двигателя, который потребляет дизельное топливо.

Электровозы легкие, они состоят только из двигателей и колесных осей, и почти не имеют подвижных частей. Дизельные двигатели с другой стороны, вмещают в себя большое количество движущихся частей, таких как поршни, клапаны, турбины, и цепи. Электрические двигатели, следовательно, проще в обслуживании, в то время как движущиеся части дизельный двигатель требует постоянного обслуживания. Легкость электрического двигателя способствует меньшему износу колеи, по сравнению с дизельным двигателем. Однако, у дизельного двигателя, возможности тяговой силы  выше на 10%.

Простой характер электрического двигателя делает его эффективным и мощным. Электродвигатели не производят много тепла и шума, а это означает, что большая часть производимой энергии передается движению. Дизельные двигатели, наоборот, производят много тепла и шума.

Электрические двигатели имеют способность производить больше крутящего момента, как источник питания. Основным недостатком двигателя тепловоза является количество электричества, которое генерирует дизельный двигатель, ограничивая подачу питания, что делает такие двигатели неспособными достичь более высоких скоростей. Рекорд скорости для электровоза составляет 500 км/ч, и для тепловозов всего 240 км/ч.

С точки зрения коммерческой привлекательности, железнодорожные компании предпочитают электрические локомотивы дизельным, благодаря наличию и стоимости топлива. Дизель дорогой невозобновляемый источник топлива, в то время как электроэнергия дешевле и является бесконечным источником энергии.Но, в этом кроется главное преимущество тепловозов. Это его способность работать в любых условиях и на любой местности. Главный недостаток электровоза,  по сравнению с тепловозом, это его требование в источнике питания в виде воздушных электрических линий. Капитальные затраты на прокладки от 5 до 6 километров тяговых сетей эквивалентны стоимости нового тепловоза.

К стоимости и сложности установки воздушных линий электропередач и подстанций источника питания,  добавляется возможность случайного сбоя железнодорожного движения: сбой электроэнергии, повреждение линий электропередач или столбов электрических линий, токоприемник в верхней части локомотива может не создать надлежащих контактов с электрическими проводами.

В заключении стоит отметить, что тепловоз на самом деле тот же электровоз, только на борту у него своя электростанция. И хотя более ранние версии тепловозов были действительно неэффективны, современные дизельные локомотивы с электрической трансмиссией имеют все преимущества современных технологий.

Международный железнодорожный журнал в марте 2000 года показывает, что будущее локомотива лежит в простой топливной системе, которая будет использовать водород в качестве топлива в сочетании с кислородом для вырабатывания электроэнергии. Дизельные двигатели могут легко перейти к таким новым технологиям, заменив топливную систему, и в таком сценарии, использование линий электропередач для электрических двигателей станет излишним. Это особенно актуально в новом свете защиты окружающей среды и сохранения природных энергоресурсов.

yvision.kz

Неосуществлённые российские проекты тепловозов — Циклопедия

Неосуществлённые российские проекты тепловозов - проекты тепловозов, разработанные в России, но которые не были осуществлены.

[править] Проекты тепловозов 1904—1915 г.г.

[править] Нефтевоз Владикавказской железной дороги (1904—1913 гг.)

В 1904 году работники Владикавказской железной дороги разработали технический проект локомотива, объединяющего в себе паросиловую установку и двигатель внутреннего сгорания. Первоначально такие локомотивы назывались нефтевозами.

Первым типом нефтевоза был паровоз с дополнительным нефтяным двигателем. В передней части такого локомотива располагалась двухцилиндровая паровая машина, а в задней — двигатель внутреннего сгорания, имеющий два воздушных и два рабочих цилиндра. Воздушные цилиндры располагались внутри рамы и подавали сжатый до 35 атм воздух в рабочие цилиндры, находящиеся снаружи рамы. При поступлении в цилиндры сжатый воздух захватывал нефть, подаваемую специальным насосом, и вдувал её в цилиндры. Нефть сгорала под влиянием высокой температуры сжатого воздуха при постоянном давлении.

В 1906 и 1913 годах изучались вопросы улучшения тепловых процессов нефтевоза, а также различные варианты расположения цилиндров и кинематической связи двигателя с движущими колёсами.

[править] Тепловозы непосредственного действия инженеров Ташкентской железной дороги (1905—1913 г.г.)

По идее авторов проекта, главным валом двигателя тепловоза (как и в паровозе) должна быть одна или несколько осей колёсных пар. В то же время они предлагали изменить отношение чисел оборотов главного вала дизеля, то есть осей и колёс локомотива. В этом случае дизель можно было пустить в ход ещё во время стоянки локомотива, и остановить при вращающихся колёсах. Для заклинивания колёс на осях или расцепления их инженером А. И. Липецом была разработана пневматическая муфта.

Муфта А. И. Липеца

Муфта (см.рисунок) состоит из ступицы 1, отлитой вместе с колёсами, корпуса 6, соединённого с нею болтами, и чугунного поршня 7, который может скользить вдоль ступицы и благодаря шпонке 8 вращаться только с ней. Иными словами, ступица, корпус и шпонка должны вращаться вместе с колёсами. Насадка 9 шпонкой 10 жёстко соединяется с осью 11, которая должна приводиться во вращение дизелем. Направляя сжатый воздух через кольцо 4 в полость 5 и сдвигая тем самым поршень 7 влево, можно было заклинить колесо с осью. Подачей воздуха через кольцо 2 в полость 3 производится расцепка их. При такой конструкции наиболее трудно было подвести к вращающимся муфтам сжатый воздух из резервуаров, укрепленных на раме локомотива. Проверка работоспособности такой передачи была произведена на паровозе типа 0-3-0 серии Т с наружными рамами. Муфта, изготовленная Оренбургскими мастерскими, работала неудовлетворительно (вследствие значительной утечки воздуха).

В июле 1914 г. были выданы кредиты на постройку двух опытных тепловозов непосредственного действия, равных по мощности паровозу типа 1-4-0 серии Щ по проекту, разработанному в 1913 г., однако в связи с началом Первой мировой войны проект не был осуществлён. Особенностью проекта, кроме пневматической муфты, являлась брусковая рама специальной формы для установки двух четырёхцилиндровых V — образных дизелей, а также наклонное расположение цилиндров с отбойными валами.

Одновременно с проектированием тепловоза с пневматической муфтой на той же Ташкентской железной дороге разрабатывался проект тепловоза по идее В. А. Штукенберга (начальника Ташкентской дороги, 1910 г.), состоящей в том, что на тендере одного из существующих паровозов устанавливался дизель — компрессор, откуда сжатый до 12 атм воздух поступал в цилиндры паровой машины. При разработке этого проекта встретились большие затруднения, основный из которых было падение температуры воздуха при расширении ниже нуля, что при наличии влаги в воздухе вызывало замораживание цилиндров.

[править] Тепловоз с электрической передачей (1905 г.)

К ранним проектам тепловозов относится проект автономного электровоза, предложенный инженером Н. Г. Кузнецовым и полковником А. И. Одинцовым. Проектом предусматривалась установка на раме локомотива двух вертикальных четырёхцилиндровых двигателей судового типа (мощностью по 180 л.с. каждый), соединённых с генераторами трёхфазного тока, которые вырабатывали ток для питания четырёх тяговых электродвигателей. Рама и кузов локомотива опирались на две двухосные тележки (осевая формула 20 — 20).

Схема предусматривала два поста управления, расположенных по концам локомотива. Авторы намечали в дальнейшем разработать проект аналогичного тепловоза, но с установкой двигателей общей мощностью до 1000 л.с.

О своих проектах авторы 8 декабря 1905 г. сделали сообщение на заседании Русского технического общества в Петербурге, которое одобрительно отнеслось к проектам, однако ни одного тепловоза построено не было.

[править] Тепловоз Коломенского завода (1909 г.)

В 1909—1913 гг. Коломенский завод разработал проект тепловоза с двигателем мощностью 1000 л.с. и электрической передачей. На главной балке, опирающейся на две четырёхосные тележки, размещалась дизель-генераторная группа, состоящая из двух трёхцилиндровых дизелей, приводящих во вращение один тяговый генератор, расположенный между ними.

Тепловоз Коломенского завода

Током от генератора питались четыре тяговых электродвигателя, установленные на двух средних осях каждой тележки (осевая формула 1 — 20 — 1 + 1 — 20 — 1). Предполагалось, что служебная масса тепловоза будет 116 т, а сцепная — 64 т (нагрузка от движущей оси 16 т и от поддерживающей 13 т). Большая масса тепловоза объяснялась тем, что дизели были взяты слишком тихоходными (частота вращения коленчатого вала 300 об/мин).

[править] Тепловоз Гриневецкого — Ошуркова (1906—1916 гг.)

Большие работы по созданию реверсивного двигателя, удовлетворяющего требованиям железнодорожной службы, были выполнены профессором МВТУ В. И. Гриневецким. В. И. Гриневецкий считал, что:а) локомотиву необходим двигатель, специально сконструированный для тяги;б) передачи между двигателем и колёсами принципиально не должно быть;в) двигатель внутреннего сгорания должен быть наиболее простым и в то же время наиболее экономичным.

В привилегии, заявленной 13 октября 1906 г., Гриневецкий выдвинул ряд принципиальных технических требований к тепловозному двигателю.

По мнению В. И. Гриневецкого, реверсивный тепловой двигатель должен удовлетворять следующим требованиям:

  • надёжно работать при разных нагрузках, скоростях хода и направлениях вращения;
  • легко пускаться в ход под нагрузкой;
  • быть компактным;
  • иметь значительную удельную мощность при малых поршневых усилиях и наиболее экономичный рабочий процесс;
  • процесс горения должен автоматически регулироваться изменением состава и количества горючей смеси, давления и быстроты сгорания топлива.

Желая по возможности уменьшить поршневые усилия и придать своему двигателю наибольшую компактность, В. И. Гриневецкий осуществил цикл Дизеля в трёх цилиндрах. В начале 1908 г. Путиловский (ныне Кировский) завод разработал рабочие чертежи опытного двигателя Гриневецкого. Этот двигатель был построен в 1909 г. на том же заводе.

Двигатель В. И. Гриневецкого

В воздушном цилиндре 1 (см. рисунок) происходит предварительное сжатие рабочего воздуха, в цилиндре 2 — последующее сжатие, горение и расширение, которое затем продолжается в расширительном цилиндре 3, откуда продукты горения выталкиваются наружу. Охлаждаемый поршень цилиндра 2 служит в то же время выпускным золотником для цилиндра 3. Цилиндры 1 и 3 имеют шатуны, расположенные почти под прямым углом, что облегчает разгон, совершаемый воздухом. Благодаря такому расположению цилиндров перемена хода достигается почти без перестановки распределительных органов обращением цилиндра 1 в расширительный, а цилиндра 3 — в воздушный.

В 1909—1912 г.г. были произведены испытания двигателя, которые затянулись из-за его некоторых отдельных недостатков, а затем были прекращены по причине отсутствия средств. Испытания показали, что процесс горения в цилиндрах протекает нормально, начиная со 120 об/мин. На основе работ над двигателем своей системы В. И. Гриневецкий при участии инженера Б. М. Ошуркова разработал проект пассажирского тепловоза, эквивалентного по мощности паровозу типа 2-3-0 серии КУ и грузового, эквивалентного паровозу типа 0-5-0 серии Э. Тепловоз совершенно симметричен и с каждой стороны имеет по одному двигателю, главным валом которых служат оси колёсных пар. При этом малый цилиндр 4 (диаметр 280 мм и ход поршня 700 мм) В. И. Гриневецкий расположил внутри рамы, а большие 6 воздушно-расширительные (диаметр 600 мм и ход поршня 700 мм) — снаружи. Для удобства обслуживания и контроля за процессом сгорания малые цилиндры расположены наклонно и выведены в кузов.

Тепловоз Гриневецкого — Ошуркова

Оба тепловоза были спроектированы без передачи и поэтому при нормальной работе они имели бы постоянную силу тяги. Для возможности её изменения Гриневецкий предвидел перегрузку двигателя на 75 % путём изменения среднего индикаторного давления.

Исходя из результатов испытания опытного двигателя, авторы предполагали установку на тепловозе больших воздушных резервуаров 3 объёмом 60 м3. В схеме также были предусмотрены подогреватель 1 для нагревания воздуха перед поступлением его в цилиндр, топливные баки 2 и вспомогательный дизель — компрессор 5 мощностью 250 л.с.

Двигатель Гриневецкого был способен устойчиво работать при переменном числе оборотов и при изменении среднего индикаторного давления в широких пределах, имея при этом достаточно низкий расход топлива.

Такой двигатель предполагалось разместить на раме в виде двух — трёх блоков (по три цилиндра в каждом) в зависимости от намеченной мощности, а по концам двигателя установить гидромуфты и далее постоянный редуктор к карданной передаче на оси передней и задней тележек.

При такой схеме расположения двигателя отпадают:

  • громоздкое устройство для получения сжатого воздуха, который потребуется только для пуска двигателя;
  • тяговая передача, так как необходимые тяговые режимы будут выполняться двигателем, а трогание с места и разгон — двигателем и гидромуфтой;
  • дышловый привод, коленчатые оси и др.

[править] Тепловоз Лонткевича

В 1915 г. инженером Е. Е. Лонткевичем был предложен проект тепловоза, по которому между главным двигателем и движущими осями предусматривалась установка механической коробки передач с тремя передаточными числами. Реверсирование должно было осуществляться включением дополнительных зубчатых колёс или изменением направления вращения вала двигателя. Для сцепления отдельных зубчатых передач имелось в виду применить фрикционные муфты, которые легко и быстро могли бы включаться и выключаться. В первой компоновке тепловоза Лонткевич предусматривал дополнительную передачу, специально предназначенную для тихого хода и маневрирования с двойным преобразованием энергии (в частном случае электрическую передачу). Однако в последующем автор отказался от применения вспомогательного двигателя и электропередачи, а предложил специальные скользящие сцепления.

На тепловозе предполагалось установить двухтактный дизель 1 простого действия (диаметр цилиндров 400 мм и ход поршня 550 мм), коробку передач 2 с тремя ступенями, на которых касательная сила тяги составляет 8000, 5550 и 4500 кГ при скоростях соответственно 56, 80 и 100 км/ч; холодильник 3 для воды и масла, компрессор 4, топливные баки 5 и пусковые баллоны 6. Согласно расчётам автора, тепловоз должен развивать на ободе колёс мощность до 1630 л.с., а на валу двигателя — 1870 л.с. (при к.п.д. 16 — 20 %).

Тепловоз Лонткевича

Слабым местом такого тепловоза была передача. Сочетание зубчатой передачи с шатунным механизмом при резко переменном крутящем моменте могло бы быть источником грохота в передаче и ударов в спарнике.

[править] Тепловоз с механическим генератором газа

В 1912 — 13 гг. в МВТУ студент А. Н. Шелест под руководством профессора В. И. Гриневецкого разработал оригинальный дипломный проект тепловоза.

В 1912 г. А. Н. Шелест предложил новый принцип работы тепловых двигателей, применив механический генератор сжатых газов. Придерживаясь схемы тепловоза В. А. Штукенберга, А. Н. Шелест в отличие от него предлагал применить в цилиндрах паровозного типа не воздух, а продукты горения с впрыскиванием в них воды для понижения температуры.

По мысли автора, тепловоз должен был иметь два двигателя: первичный (генератор газа), как бы заменяющий собой паровозный котёл, и вторичный — поршневую машину (по типу паровозной), работающую этим газом. Между этими двумя двигателями не должно быть никакой кинематической связи.

Тепловоз системы Шелеста должен был работать следующим образом.

Тепловоз системы А. Н. Шелеста и диаграмма работы его двигателя

Воздух, сжатый в зарядном компрессоре 1 до 3 — 4 атм, поступает в воздушный ресивер 2 и затем (в период впуска) через впускной клапан в цилиндр 3 сгорания, заполняя весь его полезный объём ka (см. график). В нижней мёртвой точке хода поршня цилиндр сгорания разобщается от воздушного ресивера и воздух при ходе поршня вверх сжимается по линии ab до 60 атм. Около верхней мёртвой точки впрыскивается нефть, которая сгорает по линии bc, а с точки c начинается расширение газов по линии cd. Около точки d в цилиндр впрыскивается вода с воздухом для охлаждения газов. В точке е открывается выпускной клапан и при ходе поршня по линии ef газы при давлении 9 атм и температуре 380—400 °C выталкиваются в специальный газовый ресивер 4. В точке f выпускной клапан закрывается, а оставшиеся газы с ходом поршня вниз расширяются по линии fk до точки k, где вновь открывается впускной клапан, воздух из воздушного ресивера вновь впускается в цилиндр сгорания и цикл повторяется. Из заряженного таким образом газового ресивера горячие газы поступают в поршневую тяговую машину 5.

Особый регулятор регулирует совместную работу машины 5, газового ресивера 4 и генератора газов. Число оборотов вторичного двигателя, непосредственно связанного с движущими колёсами, определяется скоростью тепловоза, а его мощность и сила тяги, как и в паровозе — давлением впуска и степенью наполнения цилиндров, причём сила тяги может возрастать при уменьшении скорости.

[править] Проекты тепловозов 1925—1945 г.г

[править] Проект тепловоза И. Ф. Ядова (1925 г.)

Тепловоз состоит из трёх основных групп. Первую группу образует шестицилиндровая паровоздушная компрессорная установка 1 мощностью 900—1000 л.с., приводимая в действие двигателями 4 внутреннего сгорания с двухступенчатыми поршнями 3 и не связанная кинематически с осями локомотива. Воздух, сжатый в компрессорах 1,6 атм, через нагнетательные клапаны и продувочные отверстия поступает в цилиндр двигателя 4 в конце хода поршня 3 вниз. Продукты горения из цилиндра 2 уходят в выпускную трубу 5 и через паровой котёл 7 в атмосферу, отдав часть своей теплоты воде. В полости 2 пар смешивается с воздухом. Смесь сжимается до 8 атм и поступает в ресивер 6.

Вторую группу составляют двухцилиндровый двухтактный двигатель 9 внутреннего сгорания высокого давления одностороннего действия и двигатель 10 низкого давления паровозного типа. Продувочный воздух в смеси с паром из полости 2 поступает в цилиндры двигателя 9, который через штоки 11, ползуны 12 и шатуны 13 приводит в движение коленчатые оси 14. Два цилиндра двигателей 10 низкого давления, работающие охлаждёнными отработавшими газами от двигателя 9, расположены снаружи рамы и также приводят в движение коленчатую ось 14.

Третья группа состоит из парового котла 8, используемого для охлаждения отработавших продуктов горения двигателей высокого давления, котла 7, воспринимающего тепло отработавших газов двигателя 4, и ресивера 6.

Тепловоз И. Ф. Ядова работает следующим образом. Прежде всего воздухом из запасного резервуара (или паром из котла 7) запускается вхолостую двигатель первой группы. Затем тепловоз приводится в движение цилиндрами 10, в которых работает смесь сжатого воздуха и пара. Как только скорость достигнет 10 — 15 км/ч, соответствующие клапаны перекрываются и паровоздушная смесь под давлением 5-8 атм поступает в цилиндры двигателя 9. Здесь смесь сжимается до 40 атм, после чего подаётся топливо под давлением 80 — 200 атм. Отработавшие газы поступают в котёл 8 и, проходя по дымогарным трубам, отдают тепло воде. Паром этого котла можно было в любое время привести в действие двигатели первой группы. Также его предполагалось добавлять к сжатому воздуху при работе тепловоза на манёврах и при трогании с места, чтобы температура воздуха в конце расширения не упала ниже нуля.

Цилиндры двигателя 10 увеличивают мощность двигателя непосредственного действия почти в два раза, в результате его масса на 1 л.с. уменьшается, что и является оригинальной особенностью тепловоза системы Ядова.

И. Ф. Ядов считал, что его тепловоз будет иметь к.п.д. около 35 % и сможет перемещать поезда с высокой скоростью, стоимость тепловоза благодаря меньшей массе, приходящейся на 1 л.с., не привысит стоимости паровоза.

cyclowiki.org

История российских тепловозов

В 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель изобрел более совершенный по сравнению с нефтяным двигатель внутреннего сгорания, работавший также на тяжелых видах жидкого топлива и имевший высокую степень сжатия, которая обеспечивала самовоспламенение впрыскиваемого в цилиндры топлива. Этот двигатель получил наименование двигатель Дизеля или просто дизель. Благодаря высокой экономичности дизели сразу же начали широко использоваться в промышленности, а затем и на судах. Сложнее обстояло дело с применением их на локомотивах.

По условиям работы локомотива требуется регулирование в широких пределах силы тяги и скорости. В паровой машин е это легко достигается путем изменения отсечки, т. е. среднего индикаторного давления. У паровоза можно получить среднее индикаторное давление в цилиндрах, почти равное давлению в котле, т. е. добиться того, что пар станет работать без расширения. Это неэкономично, но не приводит ни к каким вредным последствиям для машины. Иначе обстоит дело с двигателем внутреннего сгорания, у которого среднее индикаторное давление в цилиндрах при определенном давлении в начале сжатия может колебаться в сравнительно небольших пределах. Кроме того, обычный двигатель внутреннего сгорания нормально функционирует только в ограниченном диапазоне частот вращения вала и, в частности, не может работать на малых частотах. Для пуска дизеля требуется посторонний .источник энергии в виде сжатого воздуха или аккумуляторной батареи. Таким образом, использование обычного стационарного дизеля на локомотиве невозможно без дополнительных устройств. Такими устройствами могут служить промежуточные передачи между валом дизеля и колесными парами — механическая, гидромеханическая или электрическая.

При отказе от дизелей стационарного типа с передачей требовалось создание специальных локомотивных двигателей внутреннего сгорания. С 1905 г. над созданием дизеля специально для локомотивов работал профессор Императорского технического училища (с 1917 г. Московское высшее техническое училище) В. И. Гриневецкий.

Цикл в данном двигателе осуществлялся не в одном, а в трех цилиндрах: А — воздушном, В — сожигательном, С — расширительном (рис. 9.1). В первом из них происходило предварительное сжатие рабочего воздуха; во втором — последующее сжатие, горение и расширение, которое продолжалось затем в третьем цилиндре, откуда продукты горения выталкивались в атмосферу. Все три цилиндра работали как двухтактные машины двойного действия. Благодаря принятой схеме расположения цилиндров двигатель имел два преимущества: относительную простоту конструкции и приспособленность для тяги поездов. Первое преимущество было обусловлено тем, что охлаждаемый поршень сожигательного цилиндра В служил одновременно выпускным золотником для расширительного цилиндра С. Это позволило В. И. Гриневецкому избежать постановки выпускных клапанов цилиндра низкого давления. Второе преимущество объяснялось тем, что пальцы шатунов цилиндров А и С располагались, как у паровозов, почти под прямым углом, что значительно улучшало условия разгона и торможения, совершаемых при помощи сжатого воздуха. Кроме того, перемена направления движения достигалась простым обращением цилиндра А в расширительный, а цилиндра С — в воздушный.

Двигатель В. И. Гриневецкого был построен в 1909 г. на Путиловском заводе. Опыты с ним продолжались до 1912г., но не были закончены из-за недостатка средств. Во время опытов выяснилось, что процесс горения в цилиндре происходил нормально при частоте вращения вала 2 об/с и выше; при меньших частотах для работы двигателя необходимо было подавать в цилиндр сжатый воздух, что требовало пусковых резервуаров больших размеров.

Не ожидая окончания опытов над двигателем, В. И. Гриневецкий разработал при участии своего ученика Б. М. Ошуркова проекты двух тепловозов: пассажирского (рис. 9.2), эквивалентного паровозу типа 2-3-0 серии Ку, и товарного, эквивалентного паровозу типа 0-5-0 серии Э. И тот, и другой тепловозы должны были иметь два двигателя Гриневецкого Д, главными валами которых, как и у паровоза, являлись оси колесных пар. Среднюю часть тепловоза должен был занимать пусковой воздушный резервуар В, под которым намечалось поместить вспомогательный дизель-компрессор К. По краям тепловоза предполагалось расположить подогреватели воздуха П и баки с топливом Т.

Оба тепловоза Гриневецкого — Ошуркова были спроектированы с непосредственной передачей энергии от двигателей на колесные пары и потому при нормальной работе должны были бы иметь почти постоянную силу тяги на ободе колес: пассажирский — около 4000, товарный — около 7000 кгс. Для регулировки силы тяги предусматривалась перегрузка двигателя на 75 % за счет изменения среднего индикаторного давления.

Смерть В. И. Гриневецкого прервала работу над тепловозами его системы, и они не были построены.

В 1913 г. студент Императорского технического училища А. Н. Шелест в своей дипломной работе, выполненной под руководством профессора В. И. Гриневецкого, разработал проект компрессорного тепловоза (рис. 9.3). Передача энергии на этом тепловозе должна была осуществляться при помощи газа, производимого двигателем внутреннего сгорания. Указанный способ был запатентован автором проекта. На тепловозе предполагалось установить два двигателя: первичный — генератор газов, подающий вырабатываемый газ высокого давления в специальный резервуар, и вторичный, работающий на этом газе по принципу обычной паровозной поршневой машины. Между этими двумя двигателями не предусматривалось никакой кинематической связи.

Частота вращения вала первичного двигателя обусловливается при данной схеме потребным расходом газа; мощность тепловоза может оставаться постоянной при различных скоростях движения, поскольку изменяется лишь в зависимости от частоты вращения вала первичного двигателя, т. е. от количества сжигаемого топлива. Частота вращения вала вторичного двигателя, непосредственно связанного с движущими колесами, определяется скоростью движения, а его мощность и сила тяги, как и у паровоза, — давлением газа и наполнением цилиндров, причем сил а тяги может возрастать при уменьшении скорости. От тепловоза такой системы можно было ожидать такой же тяговой характеристики, как и у обычного паровоза.

Уже работая преподавателем в Московском высшем техническом училище, А.Н. Шелест разработал проект тепловоза с газовой турбиной (рис. 9.4).

Газовая турбина Г приводит в действие компрессор К, нагнетающий воздух в камеру В, где сгорает нефть. Из камеры В продукты горения переходят в камеру М, в которой смешиваются с паром, образующимся в результате подачи в камеру воды. Из камеры М смесь поступает в газовую турбину, вращающую компрессор. Отработав в турбине, смесь газов и пара направляется в расходный резервуар Р, а из него в цилиндры паровозного типа.

Расходный резервуар был предусмотрен на случай "займов", как у паровозного котла.

Для проверки возможности реализации предложенного А. Н. Шелестом теплового процесса в 1922 г. на заводе Армстронг - Витворт в городе Ньюкасл-апон-Тайн (Англия) был спроектирован и построен экспериментальный агрегат, который поступил в лабораторию Московского высшего технического училища. В результате длительного изучения работы этого агрегата было установлено, что от предложенного профессором А. Н. Шелестом тепловоза можно ожидать достаточно высокого коэффициента полезного действия (25 — 26 %).

В 1909 г. разработкой проекта тепловоза начали заниматься инженеры службы тяги Ташкентской железной дороги Ю. В. Ломоносов, А. И. Липец и техник Тутышкин.

В 1913 г. А. И. Липец уже в Оренбурге закончил проект тепловоза (рис. 9.5) с непосредственной передачей и холодильником, выполненным по принципу градирни. Мощность этого тепловоза соответствовала мощности паровоза серии Щ; при скорости 10 — 12 км/ч он должен был развивать силу тяги на ободе колес 12 000 кгс. Для тепловоза А. И. Липец разработал фрикционную передачу со скольжением — "пневматическую сцепку", которая была впоследствии построена Оренбургскими мастерскими и установлена на одном из паровозов типа 0-3-0. Передача работала удовлетворительно, но пневматические устройства вследствие грубого изготовления доставляли много неудобств при эксплуатации.

Кредиты на постройку двух таких тепловозов удалось получить в 1914 г., но начавшаяся война отвлекла внимание Министерства путей сообщения и авторов проекта от этой идеи.

В 1915 г. появился проект тепловоза с зубчатой передачей, разработанный инженером Е. Е. Лонткевичем. В этом проекте (рис. 9.6) впервые предусматривалась постановка на тепловозе горизонтального двухвального двухтактного двигателя Юнкерса с передачей мощности на движущие оси через трехступенчатую коробку скоростей.

Данный проект не был осуществлен, но многие его элементы были использованы в более поздних проектах тепловозов.

Если профессор В. И. Гриневецкий и его последователи искали пути создания специального тягового двигателя внутреннего сгорания, то ряд других инженеров стремился сохранить на локомотиве обычный дизель стационарного типа, осуществив передачу энергии от него к движущим колесам при помощи электрических машин. К ранним проектам тепловозов с электрической передачей, или, как их называли тогда, автономных электровозов, относится проект, разработанный в начале 90-х годов XIX в. инженером Н. Г. Кузнецовым и полковником А. И. Одинцовым. По мысли авторов, на тепловозе должны были быть установлены два вертикальных дизеля судового типа мощностью по 180 л. с. Дизели предполагалось соединить с генераторами трехфазного тока, питающими электроэнергией четыре тяговых электродвигателя, приводящих в движение колесные пары, В 1905 г. эти же авторы работали над проектом тепловоза с электрической передачей, который должен был иметь два дизеля общей мощностью 1000 л. с.

В 1909 — 1913 гг. на Коломенском машиностроительном заводе под руководством инженера Ф. X, Мейнеке разрабатывались проекты тепловозов:

мощностью 40 л. с. с тремя движущими колесными парами и чисто компрессорной (газовой) передачей;

мощностью 300 л. с. с тремя движущими колесными парами и механической передачей;

мощностью 1600 л. с, массой 116т с осевой формулой 1-2-1 — 1-2-1 и электрической передачей.

После Октябрьской революции большое внимание тепловозам уделял В. И, Ленин. По его указанию вопрос о тепловозах был рассмотрен Советом Труда и Обороны под председательством А. Д. Цюрупы. В своем постановлении от 4 января 1922 г. Совет отметил, что тепловозная тяга на железных дорогах имеет особо важное значение, и дал указание Госплану в короткий срок разработать условия и порядок передачи на заводы имевшихся проектов тепловозов для детальной разработки. Одновременно Совет Труда и Обороны объявил конкурс на выработку наилучшей конструкции тепловоза.

Уже 27 января 1922 г. В. И. Ленин направил телефонограмму Ю. В. Ломоносову следующего содержания:

"Товарищу Ломоносову.

Копии: Госплан, Транспортная секция профессору Рамзину НКПС, товарищу Фомину.

Прошу сговориться с Госпланом, НКПС и Теплотехническим институтом об условиях на конкурс тепловозов, считаясь с Постановлением СТО от 4/1 —- 22 г. Крайне желательно не упустить время для использования сумм, могущих оказаться свободными по ходу исполнения заказов на паровозы, дня получения гораздо более целесообразных для нас тепловозов. Прошу неотлагательно сообщить мне лично результаты последовавшего между Вами соглашения. 27/I — 22 г. Ленин".

В результате дальнейших обсуждений и согласований было решено построить три тепловоза за границей и один тепловоз системы профессора Я. М. Гаккеля на заводах России.

Конкурс на тепловозы должен был открыться 1 марта 1924 г. на путях Петроградского железнодорожного узла. Представленные тепловозы должны были удовлетворять следующим условиям:

1. При трогании с места и при скоростях до 15 км/ч развивать силу тяги на крюке не менее 12 000 кгс на прямом подъеме в 9%» при скорости 50 км/ч — не менее 3000 кгс на прямом горизонтальном участке пути.

2. Конструкционная скорость не менее 75 км/ч.

3. Нагрузка на рельсы от каждой пары движущих колес не должна превышать 16 тс, бегунковых — 12 тс.

4. Запасы топлива, масла и воды должны пополняться после пробега не менее чем 1500 км.

5. Приспособленность для работы при температурах от - 30 до +40 °С,

Во второй половине 1924 г. был построен только один тепловоз, удовлетворявший условиям конкурса — тепловоз с электрической передачей системы профессора Я. М. Гаккеля.

Принятые после окончания Отечественной войны системы учета тепловозов Центральным статистическим управлением (ЦСУ) при Совете Министров СССР и Министерством путей сообщения различаются между собой: ЦСУ обычно приводило данные о выпуске тепловозов в секциях и включало в их число даже секции без кабин управления, а МПС считал тепловозы, состоящие из двух и более секций, за одну тяговую единицу (один локомотив).

Применение дизельного двигателя вместо паросиловой энергетической установки паровоза обеспечивает высокий уровень кпд тепловоза 26-31%, превышающий кпд паровоза в 4-5 раз. Название «тепловоз» сложилось в России по типу названия паровоза. За рубежом тепловоз называют «дизельным локомотивом». К тепловозам, как к типу локомотивов, относят также такие специализированные виды автономного пассажирского моторвагонного подвижного состава, энергетическими установками которых служат двигатели внутреннего сгорания, как дизель-поезда, состоящие из моторных и прицепных вагонов, и автомотрисы - рельсовые автобусы.

Энергетическая цепь (последовательность этапов преобразования энергии) автономного локомотива состоит обычно из трех последовательных звеньев: теплового генератора, который преобразует химическую энергию топлива в тепловую энергию теплоносителя; теплового двигателя, преобразующего тепловую энергию теплоносителя в механическую работу вращения своего вала, и передаточного механизма (передачи), расположенного между выходным валом теплового двигателя и ведущими колесными парами и необходимого для преобразования момента и скорости вращения вала двигателя, передаваемых на колеса, в соответствии с требованиями тяги.

С точки зрения преобразования энергии энергетическая установка тепловоза (рис. 5.10) имеет одно звено - тепловозный дизель Д,  который совмещает функции теплового генератора и теплового двигателя. В цилиндре дизеля химическая энергия топлива Т в результате его горения (реакции окисления — соединения с кислородом атмосферного воздуха АВ) преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания (газов), которая при помощи поршня и кривошипно-шатунного механизма преобразуется в механическую работу вращения вала двигателя. В схему входит и передача П, согласующая режимы работы дизеля и движения локомотива. Она преобразует вращающий момент на валу дизеля Д, который по условию постоянства мощности дизеля должен быть неизменным при постоянной частоте вращения вала, в переменный момент на ведущих колесах К, величина которого по тому же условию постоянства мощности локомотива обратно пропорциональна скорости движения. Передача является обязательной частью конструкции тепловоза, но с преобразованиями энергии в ней связаны потери. Передачи тепловозов бывают механические, электрические, гидравлические. На поездных тепловозах наиболее распространена электрическая передача, на маневровых и промышленных, а также на дизель-поездах, используются гидравлические передачи. Механические передачи применяются иногда на дизель-поездах и автомотрисах.

trtrom.narod.ru

А что такое тепловоз?

Тепловозом называют локомотив, способный к автономному передвижению при помощи двигателя внутреннего сгорания, обычно дизельного. Тепловозы, оборудованные электрической трансмиссией, иногда называют дизель-электровозами.Изобретение тепловоза в начале XX века сделало его экономически и технически выгодной альтернативой паровозам. Более того, на трассах с небольшой нагрузкой, применение тепловозов выгоднее по сравнению с электровозами. Это объясняется как с экономической точки зрения, там и с рациональностью использования электровозов.

Технический прогресс не стоит на месте. За столетие в конструкцию тепловоза внесено множество усовершенствований. Увеличена мощность двигателя, применяются различные способы передачи крутящего момента на колеса локомотива, управление стало более удобным. Сегодня тепловозы перемещают составы практически в любой стране мира, имеющей железные дороги. Конструкторы локомотивов с двигателями внутреннего сгорания учитывают экологическую ситуацию и вносят изменения в силовые агрегаты, способствующие снижению вредных выбросов в атмосферу. Наверное, это один из самых весомых аргументов развития железнодорожного транспорта на сегодняшний день.

Классификация тепловозовТепловоз сегодня является одним из самых распространенных видов локомотивов. Их преимуществом является автономность – независимость от внешних источников питания. Это позволяет с их помощью доставлять грузы и пассажиров практически в любую точку мира, где есть железнодорожные пути. Существует множество видов этих транспортных средств, классифицируемых в отдельные группы по специфическим признакам.В зависимости от особенностей выполняемых задач тепловозы бывают поездными, маневровыми и промышленными. Самые востребованные, поездные тепловозы, в свою очередь, бывают грузовыми, пассажирскими и грузопассажирскими. Они выполняют перевозки на большие расстояния. В конструкции грузовых локомотивов с дизельным двигателем упор делается на тяговое усилие. У пассажирских главным является скорость движения. Маневровые и промышленные тепловозы перемещают грузы в границах станции или предприятия.

Существуют различные способы передачи крутящего момента к колесной паре. В зависимости от ее типа выделяют тепловозы с электро, гидравлической и механической передачей.Таким образом, одним из популярных и востребованных транспортных средств на железной дороге по праву считаются тепловозы.

Похожие материалы

wheels-wings.com