Бесплатный фрагмент - Турбовозы

ОТ АВТОРА

Уважаемый читатель!

Сегодня мы поговорим об очень интересных локомотивах — турбовозах. Турбовозы бывают паровые и газовые, т. е. с паровыми и газовыми турбинами. На них в своё время возлагались большие надежды, но, к сожалению, как и многие опытные локомотивы, они были построены небольшими партиями и в серию не пошли. О причинах этого вы узнаете, прочитав книгу.

В данной книге мы более подробно остановимся на паротурбовозах, потому что, если по газотурбовозам есть хоть какая-то литература, написано несколько книг, есть журнальные статьи, то по паротурбовозам практически нет и этого. Немногочисленные публикации о паротурбовозах в старых советских журналах вряд ли будут доступны широкому кругу читателей.

Эту книгу я посвящаю памяти замечательного человека, учёного-теплотехника — Евгения Тарасовича Бартоша (1918—2012), энтузиаста турбинной тяги, много сделавшего для её популяризации и развития. Из под его пера вышел ряд научных статей и монографий, посвящённых этому виду тягового подвижного состава. Последние 30 лет своей жизни Евгений Тарасович занимался разработкой новых видов турбовозов, основанных на применении парогазового цикла с использованием твёрдого топлива. Автор книги с 2000 г. принимал участие в этой работе и основные её положения с учётом своего видения проблемы изложил в последней главе книги.

При написании книги использованы сайты, на которых большей частью помещена наиболее полная информация о паровых и газовых турболокомотивах.

ВВЕДЕНИЕ

Попытки создать механизмы, похожие на турбины, делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (I в. н. э.). По словам И. В. Линде, XIX век породил «массу проектов», которые остановились перед «материальными трудностями» их выполнения. Лишь в конце XIX века, когда развитие термодинамики (повышение коэффициента полезного действия (к.п.д.) турбин до сравнимого с поршневой машиной), машиностроения и металлургии (увеличение прочности материалов и точности изготовления, необходимых для создания высокооборотных колёс), Густав Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленности паровые турбины.

В процессе развития совершенствовался рабочий процесс паровых турбин: повышались температура и давление пара перед турбиной до сверхкритических значений, более глубоким становился вакуум при выхлопе.

Газотурбинные установки (ГТУ) и двигатели (ГТД) являются наиболее древним по своей идее (примерно XV век) и вместе с тем наиболее молодым в отношении практической реализации (рубеж XІХ — ХХ столетий) тепловым двигателем. Газовые турбины вошли в большую энергетику, достигнув совершенства в авиации и кораблестроении. Применение газотурбинных установок оказывает существенное влияние на решение кардинальных задач, стоящих перед энергетикой: увеличение высокоманёвренных мощностей для покрытия пиковых нагрузок в крупных энергосистемах; повышение экономичности электростанций путём использования газотурбинных установок в комбинированных парогазовых и газопаровых установках при модернизации существующих и строительстве новых электростанций; использование газотурбинных, парогазовых и газопаровых установок в системах автономного снабжения электроэнергией и теплотой (теплофикации) индивидуальных потребителей; использование газотурбинных установок в качестве базовых агрегатов в автономных условиях в отдалённых районах.

Последующее изобретение и бурное развитие паровых турбин несколько затормозило развитие газовых турбин, однако не остановило его, причиной чего явился вполне очевидный ряд преимуществ газотурбинных установок перед паротурбинными. Паротурбинная установка — сложный агрегат, состоящий из котельной установки, паровой турбины, конденсатора, большого количества вспомогательного оборудования, требующий большого количества охлаждающей воды. Газотурбинная установка не нуждается в воде, она отличается меньшим количеством механизмов, большей простотой, заметно меньшими габаритами и массой.

Прототипы газовых турбин, к которым относят так называемые дымовые машины, были известны еще в XVII столетии, но отправным пунктом в развитии газовых турбин можно считать изобретение английского инженера Джона Барбера, который в восемнадцатом веке получил патент на устройство, которое имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах.

Первую в мире газовую реверсивную турбину радиального типа с десятью ступенями давления и горением при постоянном давлении сконструировал и построил русский инженер П. Д. Кузьминский. Испытания газотурбинной установки не были закончены из-за смерти П. Д. Кузьминского, но работа оказала заметное влияние на развитие водного транспорта.

Над созданием газотурбинных установок постоянного объёма работал немецкий учёный доктор Гольцварт, который провёл обширные экспериментальные работы, основанные на глубоких теоретических исследованиях.

Увлечение в 1920-х годах строительством ГТД с горением при постоянном объёме во многом может быть объяснено отсутствием возможности создания осевого или центробежного компрессора с достаточно высоким к.п.д. при принятой степени повышения давления, в то время как использование цикла с горением при постоянном объёме позволяло добиться повышения давления за счёт сгорания топлива в закрытом объёме. Уровень науки в области теории создания турбомашин, особенно компрессоров, был столь низким, что на каком-то этапе утвердилось мнение о невозможности достижения необходимого к.п.д. турбомашин, когда двигатель с горением при постоянном давлении мог быть работоспособным.

В то время как в Европе 20–30-е годы прошлого века прошли под знаком развития ГТУ прерывистого горения, в Харьковском политехническом институте в газотурбинной лаборатории, организованной еще в начале 20-х годов профессором В. М. Маковским, создавались научные основы газовых турбин постоянного действия. Маковский был убежденным сторонником развития газотурбостроения по пути использования ГТУ непрерывного горения. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные В. М. Маковским и его учениками в газотурбинной лаборатории, позволили создать проект ГТУ непрерывного горения с использованием газообразного топлива.

Одним из первых газовыми турбинами постоянного давления применительно к локомотивам стал заниматься русский учёный А. Н. Шелест.

Дальнейшее развитие ГТД шло по пути совершенствования его элементов (компрессора, турбины, камеры сгорания, теплообменников и др.), повышения температуры и давления газа перед турбиной, а также применения комбинированных силовых установок с паровыми турбинами и свободнопоршневыми генераторами газа.

В наше время турбины нашли широкое применение в стационарной теплоэнергетике, в военных транспортных средствах (танк Т-80) и на флоте, занимают господствующее положение в авиации и ракетостроении.

Также имеется определённый опыт использования турбин в качестве двигателей для автомобилей и на поездах.

Благоприятные динамические качества турбин способствуют их использованию на локомотивах, т. к. турбины имеют меньшее воздействие на путь, чем поршневые машины. На поршневых паровозах, как известно, добиться полного уравновешивания возвратно-поступательного механизма не удаётся, тогда как в случае применения турбин уравновешивание можно произвести балансировкой ротора.

Газовые турбины также широко используются в качестве средства наддува двигателей внутреннего сгорания с целью повышения мощности последних.

Глава I
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТУРБИНАХ

1.1. История турбин

Паровые турбины. Изобретатели давно пытались создать двигатель, где струя пара напрямую бы вращала рабочее колесо. Принцип действия паровых турбин основан на действии струи разогретого пара, тепловая энергия которого преобразуется в механическую работу. При этом скорость вращения колеса должна быть очень высокой за счёт большой скорости струи пара. Паровая турбина оказалась проще, экономичнее и удобнее, чем паровая машина Уатта.

Патент на первый паротурбинный двигатель получил американский морской инженер, адмирал Бенжамин Франклин Изервуд (1822—1915) в 1857 г. После выполненных в 1870 г. инженерных разработок несколько таких паротурбинных установок (ПТУ) на базе одноступенчатой турбины были помещены на военных фрегатах и позволили обеспечить их относительно высокую скорость (до 33 км/ч). Однако эти ПТУ оказались слишком сложными в изготовлении и не более эффективными (к.п.д. 6—8%), чем паровые машины.

Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века — шведом Г. Лавалем и англичанином Ч. Парсонсом.

Первую паровую турбину, которая представляла лёгкое колесо с лопатками, удалось создать шведскому изобретателю Карлу Густаву Патрику де Лавалю в 1883 г. Через поставленные под углом сопла на лопатки направляли пар, который давил на них и раскручивал колесо. Позднее Лаваль усовершенствовал конструкцию, применив сопло, которое расширялось на выходе. Благодаря этому увеличилась скорость пара и, соответственно, скорость вращения ротора. Полученная струя направлялась на один ряд лопаток, которые были насажены на диск. Давление пара и число сопел определяли мощность турбины, работающей по активному принципу. Если отработанный пар не уходил в атмосферу, а направлялся в конденсатор, где при пониженном давлении сжижался, то мощность турбины оказывалась наивысшей. Турбина Лаваля получила всеобщее признание, она давала большие выгоды при соединении с машинами, имеющими высокую скорость (сепараторы, пилы, центробежные насосы). Использовали её и в качестве привода для электрогенератора, правда, только через редуктор (из-за её высокой скорости).

Лаваль создал первую паровую турбину, по одной из версий, для того, чтобы приводить в действие сепаратор молока собственной конструкции. Для этого нужен был скоростной привод. Двигатели того времени не обеспечивали достаточную частоту вращения. Единственным выходом оказалось сконструировать скоростную турбину. В качестве рабочего тела Лаваль выбрал широко используемый в то время пар. Изобретатель начал работать над своей конструкцией и в конце концов собрал работоспособное устройство. В 1889 г. Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями, так появилось знаменитое сопло Лаваля, которое стало прародителем будущих ракетных сопел. Турбина Лаваля стала прорывом в инженерии. Достаточно представить себе нагрузки, которые испытывало в ней рабочее колесо, чтобы понять, как нелегко было изобретателю добиться стабильной работы турбины. При огромных оборотах турбинного колеса даже незначительное смещение в центре тяжести вызывало сильную вибрацию и перегрузку подшипников. Чтобы избежать этого, Лаваль использовал тонкую ось, которая при вращении могла прогибаться.

Главная заслуга Лаваля состоит в том, что он сумел создать основные элементы турбины, довести их до совершенства и соединить в работоспособную конструкцию, которая во многих отношениях на десятилетия опережала свое время. Если сравнить современную одноступенчатую активную турбину с её прабабушкой, созданной Лавалем, то поразит их сходство. Оказывается, что за более чем столетний период совершенствования в одной из самых динамичных областей техники формы сопел, лопаток, диска турбины претерпели в общем незначительные изменения. Это, наверное, беспрецедентный случай в истории техники. Причём показатель, связанный с прочностью конструкции.

Почти одновременно с Лавалем создал свою турбину английский изобретатель Чарлз Парсонс. В 1884 г. он запатентовал многоступенчатую реактивную турбину, специально сконструированную им для приведения в действие электрогенератора. Это была первая паровая турбина, которая начала с успехом применяться в промышленности. При меньшей скорости вращения энергия пара здесь использовалась максимально благодаря тому, что пар, проходя через 15 ступеней, расширялся постепенно. Каждая ступень имела пару венцов лопаток. Неподвижным был один венец с направляющими лопатками, которые крепились на корпусе турбины. Второй венец был подвижный, с рабочими лопатками на диске, насаженном на вращающийся вал. Лопатки венцов (неподвижных и подвижных) сориентированы в противоположных направлениях. С целью уравновешивания осевого усилия пар подводился к средней части вала турбины, а затем протекал к его концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. (около 4,4 кВт) и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в роторе, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции 1887 г. Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. К 1889 г. уже свыше трёхсот таких турбин использовалось для выработки электроэнергии, а в 1899 г. появилась первая электростанция с турбинами Парсонса. В турбине, изготовленной в 1896 г., мощность достигла уже 400 кВт, а удельный расход пара доходил до 9,2 кг/кВт(ч).

Изобретатель старался расширить сферу применения своего изобретения, и в 1894 г. он построил опытное судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость — 60 км/ч. Вскоре паровые турбины начали устанавливать на быстроходных судах.

Невозможность получить большую агрегатную мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых паровых турбин Лаваля (до 30000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что они сохранили своё значение только для привода вспомогательных механизмов. Активные паровые турбины развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в которых расширение пара осуществлялось в ряде последовательно расположенных ступеней. Это позволило значительно повысить единичную мощность, сохранив умеренную частоту вращения, необходимую для непосредственного соединения вала турбины с вращаемым ею механизмом.

Реактивная паровая турбина Парсонса некоторое время применялась, в основном, на военных кораблях, но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным турбинам, у которых реактивная часть высокого давления заменена одно- или двухвенечным активным диском. В результате уменьшились потери на утечки пара через зазоры в лопаточном аппарате, турбина стала проще и экономичнее. Хотя и сегодня паровые турбины в основном сохранили черты турбины Парсонса.

Французский учёный Рато вывел комплексную теорию турбомашин на основе имевшегося опыта.

Газовые турбины. В ступенях этих лопаточных машин энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей, стационарных газотурбинных установок и парогазовых установок.

Англичанин Джон Барбер в 1791 г. впер­вые предложил идею соз­да­ния газотурбинного двигателя с газогенератором, поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной.

Турбина Барбера могла работать на нефти, угле и древесине, что обеспечивалось путём их предварительной газификации (перегонки) в специальных ёмкостях в виде реторт. В схеме его газотурбинной установки кроме воздушного, был и газосжигательный компрессор. Смесь, образованную воздухом и газом, предлагалось нагнетать в камеру горения при помощи компрессора. После горения горючей смеси её предлагалось подавать с большой скоростью на лопатки рабочего колеса, на котором должна производиться работа расширения газа. Для предотвращения перегрева турбины от действия высоких температур предполагалось охлаждение продуктов горения впрыском воды в камеру горения.

Изобретение Барбера не было реализовано на практике. Первую в мире газовую реверсивную турбину сконструировал русский инженер и изобретатель Павел Дмитриевич Кузьминский в 1887 г. Его десятиступенчатая турбина работала на парогазовой смеси, получаемой в созданной им же в 1894 г. камере сгорания — «газопаророде». Кузьминский применил охлаждение камеры сгорания водой. Вода охлаждала стенки и затем поступала внутрь камеры. Подача воды снижала температуру и в то же время увеличивала массу газов, поступающих в турбину, что должно было повысить эффективность установки. В 1892 г. П. Д. Кузьминский испытал турбину и предложил её военному министерству в качестве двигателя для дирижабля его собственной конструкции. В 1895 г. Кузьминский предложил вариант газовой турбины более простой конструкции. Этот проект был осуществлён в 1897 г. на Петербургском патронном заводе, где была построена действующая газовая турбина, которую изобретатель готовил к показу на Всемирной выставке в Париже в 1900 г., однако не дожил до неё несколько месяцев.

Одновременно с Кузьминским опыты с газовой турбиной (в качестве перспективного двигателя для торпед) проводил также Чарлз Парсонс, однако вскоре пришёл к выводу, что имеющиеся сплавы из-за низкой жаропрочности не позволяют создать надёжный механизм, который приводился бы в движение струёй раскалённых газов либо парогазовой смесью, после чего сосредоточился на создании паровых турбин.

В 1872 г. в Германии инженером Штольце был получен патент на газовую турбину, названную им «огненной турбиной», которая содержала практически все основные узлы современной ГТУ с непрерывным процессом горения топлива в камере сгорания: осевой воздушный компрессор, воздухоподогреватель, совмещённый с камерой сгорания, и турбину. ГТУ была создана и рассчитана на получение мощности 200 л.с. при частоте вращения 2000 об/мин. Однако её испытания не были успешными и вместо 200 л.с. было получено только 20 л.с.

В 1906 г. французскими инженерами Арманго и Лемалем с участием профессора Рато была построена газовая турбина с подводом теплоты при постоянном давлении мощностью 400 л.с. (294 кВт). Установка имела двухступенчатый центробежный компрессор. Направляющие лопатки турбины имели водяное охлаждение, а вода из системы охлаждения подавалась в продукты сгорания керосина, снижая их температуру до 560°С. Турбина развивала мощность, немногим превышающую мощность компрессора, поэтому компрессор приводился от постороннего двигателя.

В том же 1906 г. русский инженер В. В. Караводин спроектировал, а в 1908 г. построил во Франции бескомпрессорный ГТД с четырьмя камерами прерывистого горения, или со сгоранием при постоянном объёме, и газовой турбиной. Мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха в таких установках, существенно ниже, чем у газотурбинных установок постоянного давления. Турбина развивала мощность 1,6 л.с. (1,18 кВт) при 10000 об/мин, а эффективный к.п.д. достигал всего лишь 2%.

Определённый прогресс в развитии газовых турбин постоянного объёма был обеспечен работами немецкого инженера Карла Гольцварта, который в 1908 г. предложил оригинальную конструкцию газовой турбины прерывистого горения. В 1910 г. швейцарской фирмой Brown Boveri эта установка была построена. Камера сгорания, сопла и колесо турбины охлаждались водой. Центробежный компрессор приводился в действие паровой турбиной, пар для которой получался как за счёт охлаждения камеры сгорания, так и за счёт теплоты выхлопных газов турбины. По сути, установка Гольцварта была одной из первых действующих парогазовых установок. В этой установке компрессор не имеет такого большого значения, как в газотурбинной установке непрерывного горения, так как горение происходит при постоянном объёме (при закрытых клапанах на входе и выходе из камеры сгорания) и поэтому давление в камере повышается сверх давления, развиваемого компрессором. Однако в целом установка получилась более сложной и дорогой, чем ГТУ непрерывного горения, поскольку для её работы требовались сложные клапанные устройства и паровая турбина с конденсатором. На этой установке была достигнута мощность 200 л.с. (147 кВт) при к.п.д. порядка 14%. Это наибольший к.п.д., который был получен в опытах с турбинами Гольцварта за период до 1927 г.

Начиная с 1908 г., по проектам Гольцварта было построено несколько ГТУ прерывистого горения. Поскольку в первые десятилетия прошлого века реализация таких ГТУ осуществлялась более успешно, чем ГТУ непрерывного горения, был накоплен положительный опыт, сыгравший благотворную роль в прогрессе газотурбостроения вообще. Так, в 1928 г. швейцарская фирма Brown Boveri возобновляет постройку ГТУ конструкции Гольцварта. Вскоре фирма получает заказ на разработку, а в 1939 г. приступает к изготовлению этих установок. К.п.д. таких установок оценивался на уровне 18—20%, максимальная мощность составляла 5000 л.с. Это время можно считать временем рождения первой промышленной стационарной газотурбинной установки. На основе накопленного опыта фирма Brown Boveri разработала и начала производство котлов типа «Велокс», горение в которых осуществлялось под давлением. Воздух в топку подавался компрессором, а приводила его в движение газовая турбина, работавшая на уходящих газах котла. Было выпущено большое количество таких котлов.

В 1936 г. В. М. Маковским был создан проект, а в 1940 г. Харьковским турбогенераторным заводом была изготовлена экспериментальная установка мощностью 735 кВт с начальной температурой газа 850°С. Турбина имела две ступени скорости. Рабочие лопатки приварены к диску. Корпус и ротор турбины охлаждались водой. Охлаждающая ротор вода специальным насосом подавалась через один конец полого вала, проходила через радиальные сверления и кольцевую полость в диске, а также через сообщающиеся между собой радиальные каналы в рабочих лопатках и отводилась через другой конец полого вала.

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

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

1.2. Конструкция турбин

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

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

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

Турбомашины классифицируют по нескольким признакам.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В большинстве стационарных и транс­портных паровых турбин применяются подшипники скольжения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Глава II
ЛОКОМОТИВЫ С ПАРОВЫМИ ТУРБИНАМИ

2.1. Общие сведения

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

Суть в том, что:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3) расход воды резко уменьшается;

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

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

6) тяга воздуха происходит равномернее;

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

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

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

а) с охлаждением непосредственно воздухом;

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

в) обыкновенные водяные конденсаторы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Большей частью конструкторы решались на турбину обратного хода, которая, будучи помещена на одном валу с турбиной переднего хода при работе последней, вращается в вакууме. Только Юнгстрем в своих постройках использовал переключение зубчатых колёс, которое при постоянном направлении вращения главной турбины позволяло изменять направление вращения отбойного вала.

Отвод тепла пара в окружающую среду в турболокомотиве является самой серьёзной проблемой, ибо в локомотиве, находящимся в движении, в качестве охлаждающей среды, в неограниченном количестве, имеется только воздух. Однако воздух против воды невыгоден не только из-за своей малой удельной теплоты и следовательно плохой теплопередачи, но кроме того и тем, что его начальная температура подвержена сильным колебаниям.

Воздушный поверхностный конденсатор, который выбрал Юнгстрем, сравнительно с водяным поверхностным конденсатором требует повышенной мощности и большей величины охлаждающей поверхности, причём вакуум в значительной мере зависит от наружной температуры.

Очень часто употребляемая форма теплообмена от пара к воде в нормальных поверхностных конденсаторах, с последующим повторным охлаждением охлаждающей воды в оросительном холодильнике, имеет то преимущество, что при небольшой затрате энергии уменьшается зависимость вакуума от внешней температуры и кроме того обеспечивается надёжная плотность конденсатора.

Недостатком такого устройства является расход охлаждающей воды, почему набор воды, необходимый при локомотивах повышенной мощности, сохраняется и при турболокомотивах.

Третьей формой обмена тепла является испарительный конденсатор (оросительный поверхностный воздушный конденсатор), который особо предпочитался конструкторами; при этом турбина мятого пара или низкого давления должна быть, как указывал К. Имфельд в статье «Турбина на локомотиве», помещена вместе с конденсатором на одном экипаже (раме).

Опыта над оросительными холодильниками, оросительными конденсаторами большой мощности с искусственным дутьём до постройки первых турболокомотивов не существовало: кроме того эта область доступна только приближённым методам расчёта, поэтому действительная форма охлаждения должна была быть найдена путём очень обстоятельных и длительных опытов. Большей частью имеющиеся холодильники при тщательных лабораторных испытаниях давали в эксплуатации не совсем удовлетворительные результаты из-за загрязнения сажей и маслом. Поэтому была необходима длительная езда и много работы в эксплуатационных условиях, чтобы достигнуть желаемой высоты охлаждающей зоны и следовательно желаемого вакуума.

Фирма I. A. Maffei в Мюнхене построила турболокомотив типа 2—3—1, который испытывался подробными пробными поездками в регулярной службе при районном управлении баварских государственных ж. д. Стремления получить высокий термический коэффициент полезного действия путём повышения начального давления пара, являющегося в настоящее время наиболее радикаль­ным средством, нашли реальное применение благодаря инициативе авторитетных лиц германских государственных железных дорог и паровозостроительной промышленности.

После предварительных подробных изысканий германскими государственными ж. д. был дан заказ на ряд опытных локомотивов с котлами высокого давления, частью с поршневыми машинами, частью с турбинными.

Поэтому у фирмы I. A. Maffei находился в постройке локомотив с котлом Бензона и турбинным двигателем.

Котёл Бензона (патент Siemens-Schuckert) был выбран из имевшихся чрезвычайно многочисленных предложений котлов высокого и повышенного давления, как наиболее пригодный дли целей железнодорожной эксплуатации.

При предлагаемом Бензоном процессе вода в критическом состоянии превращается в пар, который затем уже дросселируется до рабочего давления. В этом случае при парообразовании вода превращается из жидкого состояния в парообразное без образования паровых пузырей, благодаря чему вызываемые ими нежелательные явления, как например ухудшение теплопередачи, возможность появления перегрева стенок и в силу этого ухудшение прочности материала, устраняются.

Паросборник, который при высоком давлении имеет большую толщину стенок и из-за этого бывает чрезвычайно тяжёлым, при котле Бензона не нужен, причём отсутствуют также многочисленные соединения паросборника с трубами испарителя и вследствие этого опасности появлений расстройств соединений уменьшаются.

Вследствие простоты постройки системы из непрерывного трубопровода при соответственно небольшом числе уплотнений, она особенно хороша в локомотиве, который постоянно в той или иной мере подвержен упругим деформациям.

В котле с малой аккумулирующей способностью и соответственно с большей гибкостью режима работы в эксплуатации возможно наиболее радикальное сохранение экономичности путём достаточно эластичного отопления котла, позволяющего поддерживать всегда необходимый расход пара.

Надо приветствовать то, что железные дороги решились применить на опытных локомотивах, в том числе и на турболокомотиве высокого давления I. A. Maffei, в высокой степени надёжное в работе и рациональное отопление угольной пылью.

Приспособляемость режима работы котла к реализуемым мощностям в железнодорожной эксплуатации значительно проще, чем в стационарных установках, так как изменение режима работы локомотива при данном весе поезда, профиле пути и расписании всегда известно машинисту заранее. Поэтому не было необходимости усложнять конструкцию котла автоматическими регулирующими приспособлениями, а вполне возможно применять ручное регулирование отопления и насоса высокого давления. Неожиданное изменение нагрузки выравнивалось паровым аккумулятором среднего давления.

Круговой процесс всей силовой установки выглядел следующим образом: конденсат, значительно подогретый сначала в подогревателе мятого пара, а затем в вышеупомянутом аккумуляторе продуктами горения, подавался насосом высокого давления примерно при 250 ат в подогреватель высокого давления. Подогреватель, состоящий из пяти параллельно включённых трубчатых батарей, испытывает в топочном пространстве прямую отдачу топки. Перепускной клапан в конце подогревателя поддерживает давление по крайней мере до величины критического давления, причём температура пара лежит выше критической температуры, так что при последующем дросселировании на рабочее давление пар в насыщенное состояние не переходит. В последовательно включённом перегревателе (трубчато-решётчатом) температура пара повышалась до 400°С и пар поступал в колесо Кёртиса турбины высокого давления.

Второй перегреватель повышал температуру пара, которая после колеса Кёртиса близка к температуре насыщения, опять до 400°С. Последующая работа пара происходила, во-первых, во второй части турбины высокого давления, а во-вторых, в турбине низкого давления.

Пар для турбин, приводящих в движение насос высокого давления, вытяжной вентилятор, механизмы холодильника, ответвлялся от главного парового потока между турбинами высокого и низкого давления; остальные вспомогательные механизмы (пароструйный эжектор, тормозной насос и т. д.) работали паром аккумулятора.

Аккмулятор включён параллельно турбине высокого давления. При неожиданном уменьшения нагрузки он забирал пар, полученный в котле Бензона до достижения равновесного теплового состояния.

При внезапной нагрузке в период пуска в ход котла высокого давления турбина низкого давления работала паром аккумулятора.

Обе главные турбины расположены поперёк продольной оси экипажа, над передней, бегунковой тележкой.

Передача мощности на движущие колеса осуществлена через двойную зубчатую передачу, отбойный вал и ведущие дышла (спарники).

Для получения высокого коэффициента полезного действия турбины, вместо устройства отдельной турбины заднего хода, сконструировано переключение зубчатой передачи.

Для осуществления конденсации предусмотрен поверхностный конденсатор, охлаждаемый водой, помещённый на раме локомотива, и обратный холодильник на тендере.

Обратный холодильник применён однако не оросительный, а поверхностный, т. е. нагретая в конденсаторе охлаждающая вода охлаждалась воздухом в поверхностном холодильнике. Это мероприятие хотя и вызывает опасения в смысле понижения экономичности (так как расход энергии на обратное охлаждение здесь может возрасти), но зато, с другой стороны, имеет ряд значительных преимуществ. При поршневом локомотиве и при турболокомотиве с обратным оросительным холодильником время следования поезда, вследствие расхода питательной, вернее охлаждающей, воды ограничивается несколькими часами.

При турболокомотиве с обратным поверхностным холодильником, при котором охлаждающая и питательная вода расходуется только на пополнение утечек (зимой появляется расход на отопление), время следования поезда является исключительно функцией запаса топлива. При соответственно большом запасе топлива на тендере возможна безостановочная езда в течение 6—8 часов. К. Имфельд в своей статье отмечает, что отопление угольной пылью, при которой никакого шлакования на колосниковой решётке не появляется, особенно пригодно для такой езды.

В обратном поверхностном холодильнике обращается всегда одна и та же вода. Очищенная при первом пополнении она не загрязняет стенок конденсатора и обратного холодильника; кроме того при наличии случайных неплотностей в конденсаторе в циркуляцию котла Бензона поступает совершенно чистая вода.

Против воздушного поверхностного конденсатора поверхностный воздушный обратный холодильник имеет то существенное преимущество, что он нечувствителен к неплотностям.

Труднее обстоял вопрос с котлом и пароперегревателем. Для высоких перегревов до 400°С перегреватель в дымовой коробке недостаточен. Это обстоятельство и далее невозможность увеличить давление пара в огнетрубных котлах выше 20 ат заставляло искать для турбовоза другие типы котлов. Из них могла идти речь только о водотрубных, ибо они позволяют поместить перегреватель вместе с высокой температурой газов и образовать достаточно большое топочное пространство для сжигания пылевидного топлива, т. е. вообще использовать низкосортное топливо. Необходимым условием постановки водотрубного котла на ограниченном пространстве локомотива является питание его совершенно чистой водой, что, в свою очередь, требует применения поверхностного конденсатора. Целый ряд вспомогательных механизмов, как дымосос, вентилятор охлаждающего воздуха, питательные насосы и пр. дают отработанный пар, который, например, Юнгстрем, использует для подогрева питательной воды до 100°С. Отходящие газы он использует для подогрева воздуха, поступающего в топку.

Таким образом развитие паровоза привело к довольно сложной установке. К.п.д. установки при этом должен был повыситься в два раза по сравнению с существовашим, т. е. до 15%.

Давать окончательные суждения о перспективах дальнейшего развития турболокомотивов тогда ещё не представлялось возможным. Уже построенные или находившиеся ещё в постройке локомотивы являлись опытными локомотивами, которые должны были сначала на длительной работе в нормальной эксплуатации доказать свою пригодность и экономическое превосходство.

Резюмируя все сказанное, следует признать, что западноевропейская локомотивная техника к 1930-м гг. подошла вплотную к разрешению проблемы экономичного локомотива. Ряд преимуществ турбинных локомотивов — отсутствие расходов воды, лёгкое компаундирование, использование сцепного веса тендера — позволяли думать, что в некоторых условиях (в безводных местностях) турболокомотивы должны быть вне конкуренции.

Тем не менее, несмотря на казалось бы очевидные преимущества в виде высокого к.п.д., экономичности и возможности использования дешёвого низкосортного топлива, локомотивы с паровыми турбинами не получили сколько-нибудь заметного распространения на сети железных дорог мира, хотя имелось несколько порой относительно успешных попыток их постройки, предпринятых конструкторами различных стран (ранние попытки относятся к началу XX века, последние — к середине 1950-х гг.).

Первый танк-турбовоз с зубчатой передачей типа 0—2—0 был построен в 1908 г. в Италии по проекту профессора Беллуццо. Турбовоз предназначался для маневровой работы. Он не имел конденсации и потому по своей экономичности мало отличался от паровозов. При постройке этого локомотива не были учтены особенности основных характеристик турбины, в силу которых она потребляет чрезмерное количество пара при низкой частоте вращения, иначе говоря при трогании с места и разгоне. После эксплуатации в течение нескольких лет турбовоз был разобран.

В 1909 г. для Северо-Британской ж. д. был построен первый турбовоз с конденсацией пара по проекту инженера Рейда.

Затем вследствие первой мировой войны постройка турбовозов прекра­тилась и только в 1920 г. фирмой Escher-Wyss в Винтертуре был построен турбовоз, носящий название «Zoelly» или «Швейцар­ский».

В течение последующих 10 лет до 1930 г. было в разных странах построено ещё около 20 турбовозов разных систем. Большой вклад в область турбовозостроения внесли братья Юнгстрем, по проекту ко­торых построены: первый турбовоз в 1921 г. в Стокгольме (Швеция), типа 2—3—1 с конденсацией пара и зубчатой передачей, мощность его 2000 л.с. и конструкционная скорость 130 км/ч; за­тем в 1923 г. два турбовоза на заводе NOHAB (Nydqvist & Holm AB) в Шве­ции (один для Шведских железных дорог и второй для узкой метровой колеи Аргентинских железных дорог, оба мощностью по 1750 л.с.) и в 1925 г. курьерский турбовоз на заводе Beyer-Peacock в Манчестере (Англия) — мощностью 2000 л.с. Наконец, в 1927 г. завод NOHAB построил ещё один турбовоз для Шведских железных дорог мощностью 2000 л.с.

В течение этого же периода времени в Англии, кроме указанных, были построены два турбовоза мощностью 1000 л.с. по проекту Рэмси и Рейда (Общества инженеров) и по проекту Рейда и Маклауда.

В Германии за это время довольно энергично работали над разре­шением проблемы паротурбинных локомотивов и были построены: два турбовоза типа 2—3—1 с проектной мощностью 2000 л.с., один — на заводах фирмы Krupp-Zoelly в Эссене в 1924 г., а спустя два года второй — фирмой Maffei в Мюн­хене.

Затем в это же время на заводе Henschel в Касселе был построен танк-турбовоз типа 2—4—2 на 2000 л.с. и турботендер, т. е. тендер с установленной на нём турбиной в качестве компаундирован­ного двигателя к паровозу с поршневой машиной.

В 1927—1928 гг. на заводах Krupp и Maffei приступили к постройке турбовозов с давлением в котлах 60 и 150 ат, но вследствие кризиса постройка была прекращена и начатые сборкой турбовозы бы­ли разобраны.

В США в это время турбовозостроением не занимались и дело ограничивалось только составлением проектов.

Все построенные турбовозы были конструктивно несовершенны и распространения не получили.

Примерно с 1935 г. опытное паротурбовозостроение становится опять в центре внимания. В Англии появился паротурбовоз типа 2—4—2 массой 133 т с конденсацией пара и электрической передачей с рабочим давлением в котле 22 ат, температурой перегрева 450°C и конструкционной скоростью 175 км/ч. Вслед за ним появился паро­турбовоз типа 2—4—2, тоже с тендер-конденсатором и электрической передачей, массой 134 т. На нём был установлен котёл системы Stenber Mond с рабочим давлением 40 ат и температурой пере­грева 525°C; локомотив развивал мощность 3400 л.с., а конструк­ционная скорость его составляла 140 км/ч.

Несколько спустя был построен паротурбовоз типа 2—4—2 с электрической передачей (но без конденсации пара) с рабочим давлением в котле 22 ат, температурой перегрева 450°C; служебной массой 145 т, мощностью 2800 л.с.; локомотив развивал рекордную скорость 200 км/ч.

Параллельно с этим велось проектирование и строительство мощных паротурбовозов с высоким давлением и конденсацией пара. Так, например, в СССР в 1936 г. было закончено проектирование паротурбовоза мощностью 4000 л.с. с давлением 140 ат. В 1938 г. в США был введён в пробную эксплуатацию паротурбовоз с давлением 105 ат мощностью 5000 л.с. Он имел электрическую передачу.

Все турбовозы как низкого, так и высокого давления обладали сравнительно высокими тягово-теплотехническими достоинствами, но ни один из них в серийное производство не поступил из-за сложности конструкции и вытекающих из этого высокой первоначальной стоимости и больших эксплуатационных расходов.

Таким образом, имелись только единичные опытные экземпля­ры турбовозов. Вопрос об их распространении оставался ещё открытым, так как главнейшее преимущество паровоза над всеми другими видами локомотивов — простота конструкции и выносливость — осталось. Турбовозы очень сложны и, следовательно, значительно дороже. Поэтому у них выше капитализационные и амортизацион­ные расходы, расход на ремонт и пр. Но, с другой стороны, здесь меньше расходы на топливо и воду, очистку котлов, сохранность пути и пр. Все эти системы турбовозов могли быть жизненны только в том случае, если вторая экономия покроет первые убытки, но это могла доказать только продолжительная эксплуатация.

Во всяком случае был создан новый вид локомотива, который при дальнейшем усовершенствовании мог дать благоприят­ные результаты, особенно в холодных регионах (Сибирь и её северные магистрали) при применении воздушных конденсаторов.

Во время создания опытных паротурбовозов предвидились только затруднения освоения их железными дорогами, как агрегатов значительно большей сложности, чем паровозы. Существовавшие в то время на транспорте кустарные методы участкового ремонта, грубые методы эксплуатации машин и пути могли значительно понизить экономичность турбо­возов и их высокую мощность. Перед конструкторами и изобретателями встала поэтому задача упростить до возможных пределов паротурбовоз и сделать его конкурентоспособным с паровозом как в отношении первоначальной стоимости, так и эксплуатационных расходов. Практически это означало необходимость применения механической передачи.

Однако на этом пути имелись серьёзные препятствия чисто конструктивного характера. Основное из них — отсутствие таких механических сопряжений (соединительных муфт и реверсивных механизмов), которые в состоянии были бы удовлетворить всем эксплуатацнонным требованиям (надёжность, эластичность и экономичность в работе) при передаче столь больших мощностей от. вала двигателя на движущие оси.

В СССР и за рубежом усиленными темпами велась научно-исследовательская и экспериментальная работа, имеющая своей целью решить эту трудную проблему. Результаты этой работы были весьма значительны, и строительство мощных локомотивов с механической передачей стало вполне возможным.

Следует здесь подчеркнуть, что в применении к паротурбовозу механическая (зубчатая) передача играет особо важную роль. Помимо упомянутого упрощения локомотива она позволяет решать ряд других весьма важных конструктивных задач.

Вопрос о весе важен в связи с эффективной мощностью на сцепке. В общем можно сказать, что чем больше вес машины, тем меньше тяговое усилие на сцепке, потому что большее количество силы, развиваемой в цилиндрах, расходуется на передвижение самой машины. Но в этом отношении турбинный локомотив имеет явное преимущество перед другими машинами благодаря его более высокому термическому коэффициенту, так что даже более тяжёлый турбинный локомотив может всё ещё сжигать меньше топлива на упряжную л.с., чем соответствующий паровоз нормального типа. Тем не менее чрезмерный вес вреден, и мы можем ожидать увидеть старания уменьшить его в будущих проектах турбинных локомотивов. В проектах локомотивов значительное внимание в продолжение последующих лет было обращено на уменьшение веса. Это было сделало, исходя из двух точек зрения, именно: принимая во внимание нагрузку на ось и желание увеличить работу, передаваемую на сцепку, при данной мощности цилиндров. Bec на 1 л.с. паровозов упомянутой Лондонской и Северовосточной Компании Pacific является образцом того, что может быть достигнуто, и это тем более замечательно, так как сюда включается вес тендера, нагруженного 8 т топлива и 18,9 м3 воды. До этого английские паровозные конструкторы выказывали явное несочувствие к введению усложнений, которых можно было бы избежать, и, таким, образом, неизвестно, как они посмотрели бы на паролокомотив, приводимый в движение турбиной с сопутствующим ей конденсатором и прочими препятствиями.

Как известно, мощность турбины в паротурбовозах обычно ли­митируется паропроизводительностью котла. При зубчатой передаче диаметр ведущих колёс может быть взят минимальным, а это значит, что можно установить на локомотиве больший по размерам (диаметру) котёл и соответственно увеличить площадь колосниковой решётки, поскольку это позволяет укороченная (с уменьшением диаметра колёс) колёсная база. При наличии таких условий турбина может быть обеспечена паром без усиленной форсировки котла даже при максимальных нагрузках. Это, в свою очередь, облегчает решение проблемы тяги в котле, сводит до минимума потери от неполноты сгорания (уноса) и в конечном счёте повышает теплотехническую эффективность локомотива.

Из всего сказанного следует, что в паротурбовоз с зубчатой передачей может быть вложена значительно бóльшая мощность, чем в паровоз или тепловоз в одной единице при всех прочих равных условиях.

Начиная с 1936 г., в ряде стран (Швеция, Англия, Франция, США) были построены опытные паротурбовозы с зубчатой передачей мощностью от 2000 до 6900 л.с. в одной едидице, в США запроектирован ещё более мощный паротурбовоз — 9000 л.с.

2.2. Конструкция паротурбовозов

Паротурбовозы относятся к классу паровых локомотивов и в большинстве своём представляют обычные паровозы, в которых паровая машина заменена турбиной. К особенностям конструкции паротурбовозов, помимо двигателя, относится наличие конденсатора. Что касается передачи, то в паротурбовозах используются механические зубчатые передачи, а также передачи тепловозного типа — электрические, гидромеханические и др.

Поэтому далее будут описываться только отличия конструкции паротурбовозов от конструкции других типов локомотивов, как то:

— котлы повышенного и высокого давления, которые, хотя и применялись в обычных паровозах, но лишь в порядке опыта;

— системы вакуумной конденсации, включая сопутствующее оборудование;

— паровые турбины;

— зубчатые передачи;

— тендер.

Котёл. С 1886 по 1897 г. поя­вился ряд котлов высокого давления, а именно:

в Германии в 1886 г. котлы Шмидта и Блом и Фосс на 60 ат;

во Франции в 1888 г. котёл Серполе на 70 ат;

в Швеции в 1897 г. котёл Лаваля на 120 ат.

Котлы Серполе работали в небольших паро­возах городского типа; трубы в них были сплю­щены для уменьшения их сечения по отноше­нию к их поверхности. Котлы Лаваля работали перегретым паром температурой 375—400°C и обслуживали на выставке 1897 г. в Стокгольме четыре турбины Лаваля с давлением пара 100 ат.

В 1911 г. инженер Шмидт построил для своих опытов над паром высокого давления новый котёл на 60 ат, но уже другой системы, а именно вертикальный водотрубный.

Однако, лишь в 1921 г. началась во всех промышленных странах усиленная работа по применению пара высокого давления.

Известная американская компания Babcock & Wilcox в 1923 г. начала производить секционные котлы на давление 84 ат. Но предварительно она в течение восьми лет производила подробные опыты над двумя пробными котлами.

Характерная особенность этих котлов:

а) Слабый уклон труб (около 16°);

б) Сравнительно небольшое водяное пространство, соответствующее в построенных в 1923 г. двух котлах лишь 45% от часовой паропроизводительности.

Котёл, построенный за­водом для силовой станции в Калумете Общества Эдиссона Common Wealth Edisson Company в Чикаго, состоит из двух групп труб, в которых нижняя имеет 8, а верхняя 16 рядов. Обе группы отстоят друг от друга на 2,5 м и в этом пространстве расположены перегреватели свежего и промежуточного пара; оба пара перегреваются до 400°C, давление промежуточного пара 21 ат. Над котлом расположен цилиндрический бара­бан, выкованный, как у Борзига, из цельного куска и служащий сборником пара и для питания котла. В низшей точке котла имеется сборник ила. Подогреватель воды сделан в 44 ряда труб, по 20 в каждом ряду.

Основные размеры главных частей котла следующие:

поверхности нагрева:

— котла — 1463 м2;

— перегревателя свежего пара — 197 м2;

— перегре­вателя промежуточного пара — 307 м2;

— подогревателя воды — 858 м2;

— часовая паропроизводительность котла — 45000 кг;

трубы котла:

— внутренний диаметр — 50,8 мм;

— длина — 4500 мм;

сборник пара:

— наружный диаметр — 1220 мм;

— толщина стенок — 102 мм;

водяные камеры:

— толщина продольных стенок — 31,75 мм;

— толщина боковых стенок — 15,9 мм;

трубы подогревателя воды:

— внутренний диамметр — 50,4 мм;

— длина — 6100 мм;

общая площадь котла — 8,5×11,1 м2.

Данные котла для силовой станции в Уэймуте Эдиссоновского Общества электрического освещения в Бостоне:

поверхность нагрева — 1570 м2;

часовая паропроизводительность — 90000 кг;

температура перегрева пара — 370°C;

давление промежуточного пара — 26,5 ат.

Таким образом, производительность этих кот­лов на 1 м2 поверхности нагрева равна около 30 кг/ч.

4 декабря 1924 г. на Делавар-Гудзонской ж. д. (США) состоялась приёмка нового паровоза типа 1—4—0 оригинальной конструкции.

Паровоз был принят и назван «Гораций Аллен». Он построен по проекту И. Е. Мульфелд, инженера-конструктора этой дороги на заводе Американской Паровозо­строительной Компании.

Котёл «Горация Аллена» сильно отличается от обычных.

Он состоит из одного среднего котла, диаметром 1680 мм, двух нижних котлов диаметром по 508 мм и двух верхних диаметром 762 мм. Паровое пространство только в верхних котлах.

Все котлы соединены между собой двумя водяными камерами, составляющими переднюю и заднюю стенку огневой коробки. Эти камеры состоят из двух частей, прикреплённых на фланцах друг к другу и приделанных внизу к отливке основания. Сквозь камеры проходят верхний и нижний котлы, в которых на местах присоединения вырезаны от­верстия. Кроме этого, к передней камере приклёпаны с од­ной стороны листы стенок среднего котла, а с другой стороны — трубная стенка этого котла с дымогарными трубами. В задней камере имеется отверстие для топочной дверки. В задних днищах верхних и нижних котлов имеются лазы. Верхние котлы с паровым пространством длиннее нижних; они вытянуты вдоль среднего котла на 3376 мм и на переднем котле имеют утолщение, с помощью которого они сообщаются со средним котлом. Чтобы сделать это сооб­щение ещё лучше, между верхними котлами установлены четыре трубы, соединяющие средний котёл с верхними.

Верхние котлы соединяются с нижними с помощью 306 трубок (102 диаметром 21/2 дюйма и 204 диаметром 2 дюйма), кото­рые одновременно составляют боковые стенки огневой коробки. Этим достигаются большая поверхность нагрева огневой коробки и жёсткость всей конструкции.

Чтобы увеличить ещё больше поверхность нагрева огневой коробки, под верхними котлами установлены десять трехдюймовых труб, соединяющих переднюю и заднюю водяные камеры. Кроме того, эти камеры соединены между собою шестью 31/2-дюймовыми трубами, идущими вдоль свода.

Свод топки идёт непрерывно от низа трубной стенки до задней водяной камеры, выше топочной дверки, и делит огневую коробку на две части. Пламя и горячие газы идут направо и налево сквозь ряды водяных трубок, затем поворачивают и снова проходят мимо трубок в пространство над сводом, а оттуда в дымогарные трубы.

Пар собирается в передних частях верхних котлов. У наивысшей производящей этих котлов подвешена паросборная труба, в верхней части которой просверлено не­сколько рядов полдюймовых дыр. Пар, таким образом, собирается над большим зеркалом испарения и почти не увлекает с со­бой воду.

По паросборной трубе пар выходит из верхнего котла и через тройник попадает в водоотделитель системы Sanford Riley, установленный между верхними котлами.

Этот водоотделитель центробежного типа; пар пропускается по горизонтальной спирали, где вода выделяется и собирается на дне отливки; отсюда она снова попадает в котёл.

Описанная паросборная труба дала столь хорошие результаты, что водоотделителю почти нечего было делать; был даже поднят вопрос, нужен ли он вообще. Калометрическое исследование установило, что максимальная влажность пара в результате действияя паропроводной трубы и водоотделителя не превышала 2—3%.

К переднему фланцу водоотделителя привинчен болтами регулятор. Из регулятора пар попадает в камеру перегревателя, расположенную над дымовой ко­робкой.

Все болты перегревательных элементов имеют гайки наверху камеры, где их можно подтягивать, не открывая дверец дымовой коробки. В перегревателе 42 элемента, и каждый состоит из одной петли. Трубка элемента по выходе из камеры насыщенного пара завёрнута спиралью вокруг кольцеобразной трубы и вместе с ней заварена в стальную отливку, расположенную на 300 мм позади тру­бы паровоза. Движение пара по спирали прижимает всю влагу его к стенкам, чем достигается лучшая теплопередача. Этим также уравновешиваются напряжения расширения в соединениях кольцеобразной трубы. По этой трубе пропускается пар, который предохраняет от перегрева, когда регулятор закрыт. Из камеры перегревателя перегретый пар по паровпускной трубе попадает в цилиндр высокого давления.

Много внимания было обращено на уменьшение сопротивления в паропроводе. Паропроводная труба до регулятора имеет 81/2 дюйма в диаметре. (Лишь выходной фланец водоотделителя имеет диаметр 8 дюймов). От регулятора до камеры нагревателя 71/2-дюймовый проход, и тот же размер удержан до цилиндра высокого давления. Ресиверная труба имеет 10 дюймов в диаметре.

Основные данные котла:

тип — комбинированный водо- и огнетрубный;

давление пара — 22 ат;

род топлива — смесь жидкого и антрацита;

внутренний диаметр передней части среднего котла —

1546 мм;

огневая коробка, длина и ширина — 3480 × 1875 мм;

трубы вдоль свода, число и диаметр — 6 по 90 мм;

дымогарные трубы, число и диаметр — 145 по 50 мм;

жаровые трубы, число и диаметр — 42 по 137 мм;

длина — 4572 мм;

поверхность решётки — 6633 м2;

поверхности нагрева:

— огневой коробки — 104,42 м2;

— труб свода — 5,85 м2;

— дымогарных труб — 105,16 м2;

— жаровых труб — 81,85 м2;

итого поверхность нагрева парообразования — 297,28 м2;

перегреватель — 53,79 м2;

всего парообразования и перегревателя — 351,07 м2.

Завод Baldwin в Америке выпустил в 1926 г. свой шестидесятитысячный паровоз, представляющий интерес рядом конструктивных ообенностей. Этот юбилейный паровоз типа 2—5—1, предназначенный для товарных поездов, рассчитан на давление пара 24,6 ат, вследствие чего недостаточно надёжная при повышенных давлениях пара топка обычного типа с плоскими ­стенками и болтовыми связями заменена в нём водотрубной.

В устройстве цилиндрической части котла нет никаких особенностей. Котёл состоит из трёх барабанов, склёпанных из железа толщиной 33,3, 35 и 38 мм. Третий барабан конический, так что диаметр цилиндрической части котла с 2134 мм в переднем его конце увеличивается до 2388 мм в заднем. Котёл снабжён 206 дымогарными трубами диаметром 57,3 мм и 50 жаровыми трубами диаметром 140 мм, длина этих труб 7010 мм.

Остов топки состоит из двух цилиндрических клёпаных труб диаметром 660 мм, образующих потолок огне­вой коробки, кольцевого полого резервуара (грязевое кольцо, составляющее нижнюю обвязку топки, и 96 труб диаметром 102 мм, соединяющих потолочные трубы с грязевым коль­цом и образующих боковые стенки топки, по 48 труб с ка­ждой стороны).

Потолочные трубы, расположенные одна от другой на расстояини 787 мм между их центрами, имеют полную длину 7162 мм. Они пропущены через заднюю решётку в цилиндрическую часть котла, где продолжены на длину 1670 мм и доведены до начала третьего барабана, с которым, благодаря его конусности, приходили в соприкосновение и приклё­пывались в верхней его части.

Такое закрепление потолочных труб противодействует выпучиванию под давлением пара верхней части решётки. Кроме того, для уравновешивания давления пара на задние запорные крышки потолочных труб, передние концы их притянуты длинными анкерными болтами к передней решётке котла.

Полое, отлитое из стали, грязевое кольцо длиной 5537 мм и шириной 2565 мм состоит из трубчатого резервуара, по всему его периметру снабженного ещё двумя сообщающимися трубами — одной продольной по середине и одной поперечной, проходящей на расстоянии 1629 мм от переднего конца топки. Кроме боковых сторон грязевого кольца с потолочными трубами связаны задняя поперечная труба четырьмя 102 мм трубами и средняя поперечная труба кольца — пятью также 102 мм наклонными трубами. Эти последние пять труб служат для поддержания поперечной стенки и свода из огне­упорного материала, разделяющих топку на две камеры.

С цилидрической частью котла грязевое кольцо соеди­нено двумя изогнутыми трубами диаметром 229 мм. Все вертикальные трубы в местах соединения с грязевым кольцом развальцованы, а в соединениях с потолочнымн резервуарами, кроме того, ещё и приварены.

С наружной стороны трубчатые боковые стенки огневой коробки обмурованы огнеупорным кирпичём, облицованы плитками и покрыты обшивкой. В потолке топки пространство междy двумя водяными трубами также заполнено огнеупорным материалом.

Высота топки от верха грязевого кольца до центров потолочных труб 1981 мм, объём топки 19,35 м3, площадь колосниковой решётки 7,66 м2. Длина топки 5067 мм, ширина 2438 мм. Длина колосниковой решётки З511 мм, ширина 2184 мм. Поверхности нагрева: огневой коробки — 69,21 м2; жаровых труб — 152,78 м2; дымогарных труб — 257,77 м2. Площадь перегревателя 126,10 м2.

Усовершенствования в области паровозов направлены на улучшение в них использования тепла, что может быть достигнуто путём повышения давления пара, примерно, до 60 ат (против 14—16 ат).

Для достижения этой цели заводом Henschel в 1925 г. построен паровоз 2—3—0 с котлом двойного давления, причём топка служила в качестве котла высокого давления на 60 ат, с промежуточным подогревом, цилиндрическая часть котла исполнена обычной конструкции на рабочее давление 14 ат.

Топка построена из водяных труб, которые входят своими нижними концами в водяную камеру у обвязочной рамы, а верхними концами — в маленький паросборник. Пар, образующийся в водяных трубках, попадает по восходящим водяным трубкам из паро­сборника в нагревательные змеевики, которые укреплены вверху котла высокого давления. Здесь пар (с давлением 70—85 ат) отдаёт свою теплоту парообразования пита­тельной воде в котле высокого давления и ниспадает по наружным трубкам как конденсат снова в камеру топоч­ной рамы.

Этим достигается отсутствие накипи в трубчатом котле.

Цилиндрическая часть котла (с рабочим давлением 14 ат) обычной формы.

Пар из котла высокого давления (60 ат) поступает че­рез регулятор высокого давления к перегревателю обыч­ного типа, который расположен в нижней части жаровых труб. Оттуда пар поступает в цилиндр высокого давления внутри рамы. Пар, образующийся в цилиндрической части котла, устремляется также через регулятор в паровом кол­паке в перегревательные трубки, которые помещены в верх­ней части жаровых труб. На пути из коробки пароперегре­вателя к обоим наружным цилиндрам низкого давлении высоко перегретый пар низкого давления смешивается с па­ром из цилиндра высокого давления, благодаря этому сред­няя температура пара, входящего в цилиндры низкого да­вления, составляет 300—330°С. По окончании рабочего процесса пар из цилиндров низкого давления выходит в трубу через конус.

Для питания котла низкого давления служит насос с подогревателем. В качестве резерва служит обыкновенный инжектор. Котёл высокого давления снабжается водой из котла низкого давления помощью насоса.

Далее имеется также инжектор для котла высокого давле­ния, чтобы питать его из тендера.

Огневая поверхность нагрева топки 19,7 м2; труб — 122,0 м2; полная поверхность нагрева котла 141,7 м2; поверхность перегревателя 90,5 м2.

Общество Siemens-Schuckertwerke, заинте­ресованное в патентах Бензона, решило поставить у себя котёл производительностью 10000 кг пара в час и турбину с рабочим давлением пара 100 ат. Старый котёл Борзига с наклонными трубами на 13 ат давления, имеющими 305 м2 поверхности нагрева, был поднят и под ним был установлен котёл Бензона. Это имело целью выяснить возможность применении котла Борзига в виде подогревателя воды и дать возможность использования наличных котлов низкого давления при переходе на пар высокого давления.

Котел Бензона состоит на горизонтальных змеевиков, составленных из коротких, прямых труб диаметром 20/32 мм, соединённых между собой дугообразными трубами, сварен­ными с ними внахлестку. Котёл поверхносью нагрева 216 м2 разде­лён на три секции: испаритель и два перегревателя. Испаритель расположен над самой топкой; в нём вода нагревается до 370—380°C, смотря по нагрузке котла. Получаемая сильно перегретая вола или слабо перегретый пар критического давления поступает в верхний перегрева­тель. Из него перегретый до 400°C пар критического давления поступает в редукционный клапан, в котором давление снижается до 100 ат, после чего пар вновь перегревается до 400°C в нижнем перегревателе, в таком виде он поступает в тур­бину. Таким образом, в этом котле нарушен принцип про­тивотока.

Секции испарителя и нижнего перегревателя занимают по 1/5, а верхнего перегревателя — 2/5 общей поверхности нагрева. Для простоты все три секции состоят из 15 одинаковых змеевиков, составленных, в свою очередь, каждый из трёх отдельных витков, расположенных так, что их впуск­ные и выпускные фланцы находятся друг над другом. Витки эти соединяются между собой последовательно, а в каждой секции отдельные змеевики соединяются параллельно с по­мощью труб, имеющих внутренний диамиаметр 70 мм с ввинченными и вваренными штуцерами 20 мм внутреннего диаметра. Так как в секциях испарителя и нижнего перегревателя по три, а в секции верхнего перегревателя девять змеевиков, то для прохода воды и пара служат в секциях испарителя и нижнего перегревателя по три, а в секции верхнего перегревателя девять труб.

Все отдельные змеевики лежат свободно в железных подставках, поэтому они могут свободно расширяться. Фланцы свободно навинчиваются на трубы и свинчиваются длинными болтами с пружинными подкладками под гай­ками; подкладки эти должны сохранять упругость до 450°C.

Благодаря этой кон­струкции получается абсолютная плотность соединений труб, не­смотря на сильные колебания темпера­туры.

Арматура котла состоит из двух створных кла­панов на питательной и паровыпускной трубах, двух предохранительных клапанов на 100 и 230 ат и двух перепускных клапанов для обеспечения оди­наковых давлений в секциях испарителя и верхнего перегревателя. Один из них ручной, а другой — автоматический.

Питательный насос высокого давления трёхскальчатый, работает от электромотора постоянного тока. Все три скалки работают параллельно, подавая воду пол давлением 235 ат. Вода поступает в насос из котла Борзига при температуре 180—190°C.

Для непрерывного наблюдения над работой установки имеются следующие приспособления:

1) на питательных трубах обоих котлов Бензона и Борзига поставлены водомеры Вентури;

2) на паропроводе к турбине парометр Вентури;

3) в разных концах котла включены медно-константановые термоэлементы и места эти соединены с манометрами;

4) отдельные ступени турбины соединены с манометрами.

Профессор Леффлер создал совершенно новый тип котлов высокого давления, резко отличающийся от су­ществующих. Котлы Бензона тоже резко отличаются от остальных систем, но в них сохранена основная черта всех паровых котлов: передача тепла пару происходит глав­ным образом в самом котле, а перегреватель и подогреватель воды играют второстепенную роль. Между тем, в котлах Леф­флера передача теплоты происходит исключительно в перегре­вателе и подогревателе воды, а испаритель вынесен из сферы огня, и испарение производится в нём перегретым паром. Как видно из схематического чертежа, перегретый пар частью отводится в общий паропровод, частью поступает в испаритель, где он, проходя через воду, отдает ей свою тепло­ту перегрева и происходит парообразование; пар проходит через небольшой слой воды, всего в несколько сантиметров, отчего остаётся сухим. Если давление пара 120 ат, а темпе­ратура перегрева 450°С то теплота перегрева равна 125 кал/кг; если, поэтому, вода подогревается до кипения, то 1 кг перегретого пара может испарить 0,4 кг воды, так как при 120 ат теплота испарения равна 300 кал/кг. Для получения 1 кг рабочего пара нужно прогонять чрез перегреватель 3,5 кг насыщенного пара или, другими словами, из 3,5 кг перегре­того пара приходится 2,5 кг отводить обратно в испари­тель. Для растопки берут пар из общего паропровода или из специального котла, при этом не тре­буется пар рабочего давления, а достаточно установить в испарителе любое давление и, действительно, в пробном котле растопка производилась паром в 12 ат, после чего начинался перегрев пара.

На Венском паровозостроительном заводе во Флорисдорфе был установлен небольшой пробный котёл производительностью 300 кг пара в час. Давление пара 100—120 ат, а температура перегрева 450—500°C, но временами доходила до 600°C. Из финансовых сообра­жений при котле не установлен двигатель высокого давле­ния, а пар отводился в общий паропровод силовой станции завода, работающей с давлением 12 ат. Скорость насоса для перекачки пара в перегреватель может регулироваться в широких пределах до 230 об/мин в зависимости от изме­нения нагрузки котла. Испаритель изготовлен по проекту Леффлера в Дюссельдорфе из мартеновской стали по совер­шенно новому способу; он состоит из тянутой трубы с ввин­ченными плоскими днищами. Так как испаритель не зави­сит от топки, то он может быть поставлен в любом месте и не требует высоких подмосток. Во Флорисдорфе он установлен на уровне пола. Испаритель, насос и паропровод тщательно покрыты стеклянной ватой и обмазаны. Топка нефтяная — для возможности точного учёта расхода топлива. Стенки дымоходов вдоль перегревателя сделаны из толстых шамотных плит для лучшего отражения теплоты.

Котёл пущен в ход в декабре 1924 г., а затем под­вергся тщательным испытаниям, работая регулярно по 6—9 часов в день. При этом не оказалось никаких затруднений. Трубки перегревателя оказались совершенно чистые, без накипи, а равно не было деформации перегревателя, хотя котёл ежедневно останавливался и перегреватель успевал за ночь остыть. Растопка производилась паром (с давлением 12 ат) из общего паропровода, а дальнейшая растопка до полного рабочего давления длилась 1,5 ч.

Достоинства этой системы парогенерации проверены в многолетней эксплуатационной практике в стационарной силовой установке в Вене (Австрия) и Витковицах (Германия), что и явилось побудительным мотивом к использованию её в качестве локо­мотивной установки.

В 1936 г. в Германии на заводе Schwartzkopf с котлом этой системы построен трёхцилиндровый паровоз двойного давления (120 и 15 ат) типа      2—3—1. Это первый опыт применения котлов Леффлера в локомотивостроении. До этого паровозы с системой такого типа не строились.

Особенностью системы являются, во-первых, генерация пара в бестопочном котле — так называемом котле-испарителе и, во-вторых, принудительная циркуляция пара высокого давления по двум параллельным замкнутым контурам.

Установка состоит из

— котла-испарителя высокого давления;

— топочной камеры, образуемой так называемой первой системой пароперегревательных трубок небольшого диаметра, присоединённых к горизонтальным коллекторам, располагаемым по обеим сторонам топки; в этой системе происходит первая стадия перегрева;

— второй системы такого же диаметра па­роперегревательных тру­бок, устанавливаемой впереди первой и последовательно с ней соединённой; в ней происходит вторая стадия перегрева пара;

— промежуточного пароперегревателя низкого давления — 15,5 ат;

— водоподогревателя высокого давления;

— воздухоподогрева­теля, обеспечивающего подогрев поступающего в топку воздуха до 150°C;

— котла-теплобменника, в котором происходит подогрев поступающей из тендера воды, а также генерация пара низкого давления за счёт использования теплоты отработавшего пара высокого давления;

— водопитательных и пароциркуляционных насосов;

— прочего оборудования и аппаратуры (маслоотделителя, пеноотделителя, турбогенератора и т. д.).

Подготовка паровоза к работе резко отличается от обычной и происходит в следующем порядке.

Готовый пар обычного низкого давления (от находящегося под паром паровоза или из магистрального паропровода в депо) подаётся в котёл-испаритель, а также в цилиндры циркуляционного насосного агрегата. Последний начинает перекачивать пар из котла-испарителя по замкнутому контуру в котёл-теплообменник, где начинает испарять за счёт своего тепла воду. После того как давление пара в котле-теплообменнике достигнет 15,5 ат, подвод пара извне к насосу прекращается, и цирку­ляционный насос продолжает работать уже своим паром; одновременно в топке разводится огонь. Через определённый промежуток вре­мени, когда давление пара в трубчатой системе доводится за счёт топочных газов до 120 ат, подвод пара извне в котёл-испаритель прекращается, и система начинает работать по нормаль­ному циклу.

В случае отсутствия готового пара «растопка» котла может быть осуществлена вспомогательной нагревательной установкой, при помощи которой подогревается вода в котле-теплообменнике, и по­лученным таким образом паром низкого давления «заряжают» котёл-испа­ритель. После этого разводится огонь в топочной камере и си­стема переводится на работу по нормальному циклу.

При непродолжительных стоянках (например, в оборотном депо) давление пара в котле-испарителе обычно бывает вполне достаточным для «растопки» котла своим паром без подвода его извне.

Мощность, затрачиваемая на работу циркуляционных насосов в замкнутом контуре высокого давления, составляет примерно 2% от мощности, развиваемой локомотивом.

Наличие в пapoгенераторной системе Леффлера двух контуров (высокого и низкого давления), по мнению самого Леффлера, не обяза­тельно, и в данной схеме они приняты как некоторая страховка от возможного накипеобразовання в элементах и частях контура низкого давления. Леффлер считал, что при столь высокой скорости циркуляции воды через водоподогреватель высокого давления осаждение котельного камня в барабане котла-испарителя мало вероятно и что если бы оно даже имело место, то особо вредных последствий от этого не было бы, по­скольку топочные газы совершенно не соприкасаются со стенками барабана котла-испарителя. Представляется поэтому возможность значительно упростить тепловую схему парогенераторной установки за счёт упразднения котла-теплообменника, промежуточного пароперегреватсля и прочего относящегося к ним оборудования и устройств. В этом случае отработавший в цилиндрах высокого давления пар можно было бы направлять в цилиндры низкого давления, предварительно пропустив его через маслоотделитель.

Предполагалось, что значительное усложнение конструкции стандартного паровоза не должно вызвать особого повышения в расходах по содержанию и ремонту котельной установки, во-первых, потому, что вся трубчатая система выполнена из прямых трубок, и, во-вторых, наиболее дорогая часть установки — котёл-испаритель высокого давления никакого ремонта вообще не требует.

В отношении степени безопасности котельная установка системы Леффлера, по мнению её автора, не только не уступает стандартному котлу, но в известном отношении даёт больше гарантий. Во-первых, трубчатые системы обоих контуров выполнены из трубок малого диаметра - тем самым сводятся до минимума разрушительные последствия взрыва, если бы таковой произошёл, во-вторых,  стенки бестопочного котла-испарителя, как не имеющие трубочных соединений, гарантируют большую его прочность.

Конденсаторы. Для более полного использования теплоперепада в турбине, экономии воды, а в некоторых случаях и топлива на паротурбовозах целесообразно применять конденсацию пара. Существуют смешивающая и поверхностная системы конденсации. На паротурбовозах смешивающая система трудно осуществима из-за громадного запаса охлаждающей воды, которую требуется возить с собой. Поэтому на локомотивах применяется поверхностная конденсация. При этом отработавший в турбине пар охлаждается воздухом или водой. В последнем случае происходит циркуляция охлаждающей воды, которая после нагревания отработавшим паром охлаждается в холодильнике; при этом образующийся из пара конденсат служит для питания котла.

Значительные сопротивления передаче тепла оказывает слой жид­кого конденсата, обволакивающего охлаждающие трубки ввиду плохой теплопроводности охлаждающей воды.

Стремление удалить этот слой привело французского конструк­тора Жинабá к идее изменённого расположения трубок в противоположность обычному (шахматному) расположению. При расположении Жинабá падающие капли конденсата обтекают лишь часть поверхности трубок, отчего уменьшается сопротивление про­хождению тепла. В системе Жинабá стекающий конденсат омывает лишь четвёртую часть окружности трубок, так что пар встречает на своём пути чистую металлическую охлаждающую поверхность, что существенно улучшает условия теплопередачи и конденсации. Система Жинабá позволяет сократить охлаждающую поверхность на 20—35%. Усовершен­ствованная система Жинабá изготавливалась заводом Balcke.

Обычно принято разделять ток воды на две или три последовательно соединён­ные секции. Этим до­стигается увеличение скорости воды и создаются благоприят­ные условия охлаждения пара и воздуха, попадающего в конденсат вместе с паром (воздух охлаждается наиболее интенсивно в нижней части, откуда производится его отвод).

Обыкновенные формы кон­денсаторов круглого и овально­го сечения не являются удовлетворительными, так как не осуществляют необходимого для получения большой скорости воздуха быстрого сокращения сечений. С этой точки зрения заслуживают внимания конденсаторы треуголь­ной формы, нашедшие большое распростране­ние в турбин­ных установках.

Для предохранения конденсата от чрезмерного охлаждения нижняя часть трубчатой охлаждающей батареи отделяется щитом, по которому конденсат стекает непосредственно к месту его отвода. В то же время воздух проходит через отдельную часть трубчатой батареи и интенсивно в ней охлаждается. С целью быстрого стока конденсата и получения наибольших скоростей воздуха в конденсаторах устанавливают иногда направляющие щиты.

Наконец, существуют системы, в которых сток конденсата производится секционно таким образом, что сконденсированный на верхних элементах пар стекает вниз, не соприкасаясь вовсе с остальной частью трубчатой батареи.

В системе Contraflo впуск пара устроен таким образом, что пар при входе распространяется по всей окружности холодиль­ника, встречая сразу исключительно большую охлаждающую поверхность. Трубки конденсатора расположены таким образом, что живое сечение их для прохода воздуха по направлению к концу конденсатора непре­рывно уменьшается. Для направления воз­духа внутри конден­сатора установлены направляющие щиты, рас­положенные так, чтобы они оказывали наи­меньшее сопротивле­ние протеканию возду­ха и пара. Конденси­руемый пар падает в виде дождя на перего­родки, по которым сте­кает вниз без значи­тельного переохлажде­ния.

Конденсатор системы Парсонса осуществляет одну из форм так называемых регенеративных конденсаторов. В этом случае в сред­ней части конденсатора устроен свободный проход, по которому пар достигает беспрепятственно нижней части холодильника и только после этого, поднимаясь по бокам вверх, встречает охлаждающую поверхность. Таким образом течение пара имеет здесь обратный характер по отношению к обычно принятому. Охлаждающая же вода поступает сперва в верхние трубки и затем в нижние.

Вследствие такого расположения стекающий вниз конденсат встречает восходящий поток тёплого пара и, достигнув дна холодильника, нагревается до теоретически наи­высшей возможной тем­пературы. С другой стороны, воздух, за­бираемый у наивысшей точки конденсатора, принимает наинизшую возможную температу­ру, почти равную тем­пературе охлаждающей воды.

Особенностью конденсатора Brown Boveri является разделение его продольной диаметральной перегородкой на две части. Каждая из них может быть вскрыта во время работы для очи­стки или уплотнения тру­бок. Завод гарантирует увеличение теплопередачи по сравнению с обычными конструкциями на 20—30% и повышение температуры конденсата на 5—8° при температуре воздуха, почти равной температуре охлаждющей воды.

Для удаления из холодильника воздуха и конденсата применяются две основные системы насосов: так называе­мые мокровоздушные насосы и отдельные насосы для конденсата и воздуха (последние называют сухими).

Насосы первой системы откачивают одновременно воздух и кон­денсат, стекающий к всасывающим клапанам, располагаемым настолько низко, чтобы клапаны были совершенно залиты водой (что необхо­димо ввиду плохой всасывающей способности насосов при низких давлениях).

Насос Эдвардса имеет лишь на­гнетательные клапаны. Вместо всасывающих клапанов в нижней части цилиндра насоса устроены окна, через которые при нижнем поло­жении поршня цилиндр наполняется как воздухом, так и конден­сатом.

Насосы Эдвардса строятся как приводные от главной машины, так и с самостоятельными паровыми двигателями, снабжёнными достаточно тяжёлыми маховиками.

Насосы Эдвардса с самостоятельными двигателями строятся на частоту вращения 200—300 об/мин. В этих насосах должна быть предусмотрена возможность сообщения обеих полостей, что необходимо во избежание слишком тяжёлого хода в начальный период работы, когда в холодильнике находится большое количество воды.

Дуаль-помпа Вира применяется в крупных установках, требующих повышенного вакуума, и является отдельной от главной машины. Она состоит из двух цилиндров, оба насосных поршня имеют взаимно противоположное движение.

Преимуществом насоса Вира служит раздельный забор воздуха и конденсата при выгодных температурах с избежанием чрезмерного переохлаждения конденсата.

Для паровых установок, требующих повышенного вакуума, для удаления воздуха, применяются системы так называемых пароструйных или эжекторных воздушных насосов.

Пароструйные эжекторы применяются двухступенчатого типа, без промежуточного конденсатора, либо с последним. В эжекторе без промежуточного конденсатора вторичное сопло образовано кольцевой щелью между обоими диффузорами. Первый диффузор не имеет расширения, т. к. остающаяся неиспользованной в нём энергия пара используется в следующем, втором, диффузоре.

Кольцевая щель вторичного сопла может регулироваться при сборке эжектора постановкой прокладок.

Из современных систем следует отметить пароэжекторные вакуумные насосы (ПЭВН) Научно-производственного объединения «Энергомашавтоматика», поддерживающие относительно глубокий вакуум (0,5 — 5,0 мм рт. ст.). Они имеют обычно от четырёх до шести газоструйных аппаратов (ступеней), включенных последовательно по эжектируемой парогазовой смеси. Для снижения суммарного расхода рабочего пара на ПЭВН за струйным аппаратом устанавливается теплообменник-конденсатор, в котором бóльшая часть расхода пара, выходящего из этого струйного аппарата, конденсируется и благодаря этому к струйному аппарату следующей ступени поступает меньший расход эжектируемой (пассивной) парогазовой смеси; соответственно, на её сжатие тратится меньше рабочего пара.

В зависимости от условий работы ПЭВН его теплообменники-конденсаторы могут быть различного типа. Часто в эжектируемой смеси находятся вещества, которые могут загрязнять охлаждающую воду, циркулирующую через теплообменники-конденсаторы, и ПЭВН целесообразно комплектовать кожухотрубными теплообменниками-конденсаторами. Когда в составе эжектируемой смеси нет загрязняющих веществ, ПЭВН могут оснащаться смешивающими теплообменниками-конденсаторами или водогазовым струйным аппаратом. Причём в последнем случае водогазовый струйный аппарат заменяет как все смешивающие теплообменники-конденсаторы, так и три последних струйных аппарата.

ПЭВН с кожухотрубными теплообменниками-конденсаторами значительно сложнее и дороже, чем ПЭВН со смешивающими теплообменниками-конденсаторами или водогазовым струйным аппаратом. Однако использование такого типа ПЭВН позволяет исключить необходимость очистки (требуемой в случае использования ПЭВН со смешивающими теплообменниками-конденсаторами) большого количества загрязнённой воды.

В качастве холодильных машин в вакуумных системах конденсации используются абсорбционные холодильные установки. Широкое распространение получили водоаммиачные холодильные машины, но для размещения на турбовозе они слишком велики из-за больших размеров ректификатора. Для турбовозов более подходят бромистолитиевые абсорбционные холодильники.

Принцип действия абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (АБХМ) основан на способности водного раствора бромистого лития поглощать (абсорбировать) более холодные водяные пары с выделением теплоты. Процессы, происходящие в машине, имеют следующие осо­бенности:

— холодильным агентом является вода, поглотителем бромистый литий, поэтому получение холодильного действия связано с работой под глубоким вакуумом;

— холодильный агент и поглотитель несоиспаримы, поэтому процессы в конденсаторе и испарителе осуществляются чистым водяным паром и водой;

— концентрация раствора определяется не по холодильному агенту, а по бромистому литию.

Охлаждаемая вода поступает в трубное пространство испарителя, где охлаждается до необходимой температуры за счёт испарения хладагента — воды, стекающей в виде плёнки по наружным поверхностям труб испарителя. Для орошения трубного пучка испарителя используется циркуляционный насос хладагента.

Водяной пар с температурой 2—4°С из испарителя поступает в межтрубное пространство абсорбера, где поглощается в нём крепким (концентрированным) водным раствором бромистого лития, стекающего в виде плёнки по поверхностям труб. Теплота, выделяемая при абсорбции пара, отводится охлаждающей водой, протекающей в трубках абсорбера.

Поглощая пар хладагента, крепкий раствор бромистого лития становится слабым — его концентрация снижается. Слабый раствор стекает в поддон абсорбера, откуда насосом подаётся в трубное пространство растворного теплообменника.

После подогрева в теплообменнике слабый раствор поступает в межтрубное пространство генератора. В генераторе слабый раствор бромистого лития упаривается за счёт теплоты греющей среды, поступающей в трубное пространство генератора.

Упаренный (крепкий) раствор из генератора поступает в межтрубное пространство регенеративного теплообменника, где охлаждается слабым раствором и далее направляется на орошение абсорбера.

С помощью насоса слабый раствор из абсорбера через теплообменник растворов подаётся в генератор, где в результате на­грева происходит процесс десорбции — разделение раствора с вы­делением водяного пара.

Образующийся в генераторе водяной пар поступает в конденсатор, где конденсируется на внешней поверхности теплообменных труб. В конденсаторе за счёт охлаждения водой происходит сжижение водяного пара и конденсат пара (хладагент) через регулирующий вентиль (гидрозатвор) поступает в испаритель.  Теплота конденсации водяного пара отводится охлаждающей водой, протекающей через трубы конденсатора.

При снижении давления из распылённого потока воды в испарителе происходит испарение части её массы, за счёт чего охлаждается остальная часть, которая, в свою очередь, охла­ждает промежуточный хладоноситель.

Отличительные особенности рабочей схемы от теоретиче­ской заключаются в следующем:

— в рабочей схеме и действительном цикле учитывается влияние глубокого вакуума, который устанавливается в аппаратах; глубокий вакуум усиливает влияние гидростатического давления столба жидкости, характерного для аппаратов затопленного типа; давление кипения и абсорбции при этом переменны по высоте аппарата, в связи с чем наблюдается недовыпаривание в генерато­ре и недонасыщение раствора в абсорбере;

— получение холодильного действия при использовании в качестве холодильного агента воды связано с большими объёмами пара, переходящего из одного аппарата в другой, что обуславлива­ет большие потери давления на преодоление гидравлического со­противления соединяющих трубопроводов;

— в действительной холодильной машине наблюдаются потери тепла в окружающую среду.

Перечисленные выше отличительные особенности определяют конструктивное решение рабочей схемы бромистолитиевой абсорбционной холодильной машины.

Для уменьшения влияния гидравличе­ского сопротивления соединительных трубопроводов аппараты холодильной машины попарно объединены в одном корпусе: ге­нератор с конденсатором, абсорбер с испарителем.

При кипении раствора в генераторе влияние гидростатического давления столба жидкости сохраняется, поэтому наблюдается недовыпаривание.

Наличие конечной скорости абсорбции, ограничения поверхности и времени контакта фаз в абсорбере обуславливают недонасыщение.

Предельное значение концентрации крепкого раствора — 64%. При бóльших значениях концентрации начинается кристаллизация бромистого лития.

Абсорбционная холодильная машина представляет собой сложную термодинамическую систему, состоящую из контуров раствора и хладагента.

Наиболее сложным является контур раствора. В АБХМ этот контур состоит из абсорбера, рекуперативного теплообменника и генератора.

В ряде абсорбционных бромистолитиевых машин, разработанных ВНИИ Холодмаш, применены совмещённые абсорбер и генератор.

В холодильной машине АБХМ-6000 использованы совмещённый генератор и раздельный абсорбер на базе кожухотрубных аппаратов.

При образовании циклов из раздельных процессов для их осуществления можно применить более эффективные пластинчатые теплообменные аппараты с меньшими массогабаритными показателями, чем у кожухотрубных.

Холодильная машина АБХМ-П-10 ООО «ОКБ Теплосибмаш» с паровым обогревом имеет компактную моноблочную конструкцию. Теплообменные поверхности аппаратов выполнены в виде горизонтальных пучков тонкостенных труб. Теплообменные трубы выполняются из нержавеющих сталей или медно-никелевых сплавов. Каплеотделители, оросительные устройства изготавливаются из нержавеющих сталей. Материал корпусных элементов — качественная углеродистая сталь.

Паровая турбина. Конструктивные формы паровых турбин представляют большей частью смешанные системы; они проектируются со стороны высокого давления как парциальные активные турбины с дисковыми рабочими колёсами, лопатками, одной или многими ступенями давления и двумя (реже тремя) ступенями скорости в каждой ступени давления; со стороны низкого давления — как четырёхступенчатые реактивные турбины или как полные активные турбины со многими ступенями давления (без ступеней скорости).

Турбина Лаваля представляет активную турбину с одной ступенью ско­рости; осевой удар паровой струи происходит на некоторой части окружности турбинного колеса через одну или несколько уширяющихся лопаток.

Обуславливаемая значительной скоростью пара большая частота вращения приводится до надлежащей величины при помощи зубчатой передачи, состоящей из широких зубчатых колёс малого шага с угловыми зубьями.

Турбинное колесо из никелевой стали имеет форму диска равного сопротивления; в ободе диска вырезаны гнёзда, в которые вставляются цилиндрические утолщения лопаток; последние на свободном своём конце имеют выступы, образующее сомкнутое кольцо для уменьшения сопротивления движению. Рабочий вал часто при­винчивается с обеих сторон диска для избежания в нём центрального отверстия, значительно уменьшающего прочность диска. Подшип­ники находятся на большом расстоянии друг от друга. Это сделано для того, чтобы вал при надлежащем своём изгибе вместе с колесом мог принять положение свободной оси, когда критическая скорость будет превзойдена. Зубчатая передача, окружённая масляной ванной, изготавливается из тягучей стали. Имеются два передаточных вала, каждый на 1/2 пол­ной мощности турбины; этим избегается одно­сторонняя нагрузка малого колеса. Центральным смазочным аппаратом достигается незначительный расход масла.

Регулирование достигается при помощи чрезвычайно чувствительного центробежного регулятора, насаженного на передаточном валу и действующего непосредственно на паровпускной вентиль турбины. У турбин с охлаждением пара регулятор действует одновременно на клапан, служащий для уменьшения вакуума при работе турбины вхолостую или под слабой нагрузкой, ибо, в противном случае, происходит значительное увеличение частоты вращения (при больших центральных конденсациях ставится особый ре­гулирующий вентиль). При снабжении турбины несколькими паровыми наконечниками, в зависимости от нагрузки турбины, некоторые наконечники могут быть выключаемы от руки; при малых нагрузках тогда нет необходимости сминать пар перед его входом в турбину.

Турбина Парсонса — реактивная турбина, представляющая полную осевую турбину с большим числом ступеней давления.

Лопатки турбинного колеса изготавливаются из бронзы, вставляются при помощи зачеканенных прокладок в осо­бые канавки, выточенные на поверхности стального цилиндрического барабана и иногда ещё скрепляются на концах спаянным кольцом, вставляемым в вырезки лопаток. Направляющие лопатки вставлены на внутренней поверхности барабана, образующего как бы кожух турбинного цилиндра. В виду необходимости, по мере увеличения объёма пара при его расширении, увеличивать и сечения для его прохода, длина лопаток и диаметр барабана изменяются; диаметры барабана, в виду простоты изготовления, изменяются ступенями. Большое число ступеней и обуславливаемое этим раз­личное давление с обеих сторон направляющего и турбинного колёс, вызывает необходимость по возможности уменьшать разность давлений и делать зазоры (щели) малыми; этим уменьшаются потери в зазорах. Барабан разрезан пополам в горизонтальной плоскости и поверхности разреза пришли­фованы. Для уравновешивания осевого давления на турбин­ное колесо устанавливаются уравновешивающие поршни количеством соответственно числу ступеней и диаметры которых соответствуют диаметрам турбинных колёс. Уравновешивающие поршни подвержены давлению пара и снабжены лабиринтной набивкой (кроме того для точной установки приме­няется гребенчатый подшипник).

Подшипники, устанавливаемые снаружи барабана и непосредственно связанные с последним в мощных турбинах, устанавливаются по типу подшипников Селлерса. В подшипниках смазка циркулирует при помощи насоса.

Регулирование хода достигается тем, что пар подводится в турбине не непрерывно, а через более или менее длин­ные промежутки времени; этим избегается сминание пара при его прохождении через паровпускной клапан и турбинное колесо всегда подвер­гается полному давлению пара. Уравновешенный регулирую­щий паровпускной в турбину вентиль запирается давлением пружины и приподнимается от давления пара на распо­ложенный над вентилем поршень; ход последнего регулируется от уравновешенного цилиндрического золотника, приводимого в движение от регулирующего прибора. При достижении требуемой частоты вращения паро­впускной клапан закрывается особым регулятором. В случае перегрузки свежий пар может быть подведён в дальнейшие ступени при помощи особого ручного клапана.

Турбина Цёлли представляет активную турбину с относительно малым числом ступеней давления. Действие пара осевое при помощи направляющих колёс, — причём турбина для сту­пеней высокого давления — парциальная, а для ступеней низкого давления — полная.

Ступени высокого и низкого давления располагаются в общем барабане, разделённом горизонтальной плоскостью. Плотность вала достигается при помощи металлической набивки Швабе.

Подшипники неподвижны на одной общей основной пли­те; их поло­жение не зависит от степе­ни расширения барабана; смазка при помощи масла, подавае­мого насосами. Для гарантии неизменяемости положения вала, на одном его конце устанавливается гре­бенчатый подшипник.

В особо обточенном ободе, при помощи прикреплённого к нему зажимного кольца, получается непре­рывная канавка, в которую вставляются с промежуточны­ми прокладками относительно длинные лопатки из никеле­вой стали; сечение лопаток кнаружи уменьшается (форма равного сопротивления), так что, несмотря на высокую скорость вращения, напряжение в лопатках малое.

Регулировка производится дроссельным клапаном, который устанавливается поршнем при помощи давления масла в цилиндре. Распределительный золотник этого цилиндра переставляется от регулятора и снова приводит­ся поршнем в среднее положение при соответствующем положении дроссельного клапана, в зависимости от положения регулятора. При помощи особого парового клапана можно, как и в турбине Парсонса, достичь перегрузки турбины на 20%. Для устранения возможности внезапного быстрого увеличения частоты вращения сверх наибольшего допускаемого значения имеется особый быстро запирающий клапан, который в этом случае приводится в действие особым предохранительным регулятором, прекращая доступ пара к турбине.

Выгоды турбин этого типа состоят в том, что они допускают небольшое число ступеней расширения благодаря хо­рошей конструкции турбинных колёс при незначительном напряжении частей; в экономном расходовании пара, также и при малых нагрузках; в возможности допущения у активных турбин больших зазоров (щелей) без по­терь пара на пропускание; в избежании уравновешивающих поршней, в устранении опасности от удара лопаток при внезапном изменении перегрева пара и более быстром нагревании колёс перед пуском в ход.

Турбина Рато отли­чается от турбины Цёлли, кроме деталей, главным образом, большим числом ступеней в зависимости от конструкции турбин­ного колеса; действие пара такое же, как и в турбине Цёлли.

Турбинные колёса штампованы из сплошных стальных дисков с отогнутыми бортами; к центру диска приклёпывается ступица, а к окружности приклёпы­ваются изогнутые по цилиндру лопатки из бронзовых или стальных листов; к лопаткам снаружи приклёпано кольцо. Конструкция очень легка.

Направляющие колёса, состоящие из двух частей, чугунные или стальные, вставляются плотно в разрезанный горизонтальной плоскостью на две половины барабан и плотно надеты с незначительной игрой на ступицу турбинного колеса. Диски направляющих колёс покрыты с обеих сторон металлическими листами, в промежутке между которыми у обода колеса вставляют­ся направляющие лопатки и удер­живаются снаружи особым кольцом. Полное действие пара со стороны ступеней низкого давления, а парциальное — со сто­роны высокого давления. Вал про­ходит сквозь ба­рабан через посредство металлических сальников с особыми паровыми камерами, в которых автоматически поддерживается определённое давление пара. У мощных турбин часто ставятся три подшипника (особые барабаны для высокого и низкого давления). Подшипники с кольце­вой смазкой и охлаждением водой.

Турбина Кёртиса — тип, из которого вытекает выгода применения смешанных систем, особенно по отношению к расходу пара. Рабочим колёсам высокого давления придаётся скорость на окружности до 180 м/с. Рабочий пар выходит из круглых наконечников (система Ридлер — Штумпф), выходное отверстие которых прессовано в четырёхугольную призму; две ступени скорости или вторая ступень давления с двумя ступенями скорости или несколько ступеней давления (без ступеней скорости) со стороны низкого давления.

Регулирование турбин при помощи дроссельных регуляторов и ручных вентилей у наконечников. Последние могут комбинироваться в группы. Допускают наибольшие температуры перегрева пара.

В паровой турбине системы Мельмс и Пфеннингер часть для высокого давления представляет парциальную активную турбину; части для среднего и низкого давления представляют полную реактивную турбину; обе части соединены при помощи вращающегося барабана; уравновешивание реактивной части турбины имеет место у перехода активной турбины в реактивную, из-за чего уравновешивающие поршни являются излишними.

Барабан вполне симметричен и свободен на одном конце. Главный запорный паровой вентиль расположен под барабаном и при помощи паровых труб соединяется с двумя вентилями, расположенными вверху.

Лопатки (никелевая сталь) изготавливаются из прокатных и протянутых полос, разрезанных на отрезки требуемой длины; они вставляются в гнёзда особого основного кольца и на наружных концах удерживаются приклёпанным кольцом, которое для этой цели специально профилировано в форме двух рёбер, образуя отдельные группы в виде сегментов; сегменты вставляются в выточенные канавки барабана, где удерживаются кольцом.

Регулированиe производится при помощи плоского осевого регулятора, который изменяет эксцентриситет эксцентрика, действующего на колебания двухседалищного клапана.

Паровая турбина Зульцера — активная парциальная турбина на стороне высокого давления и полная реактивная турбина на другой стороне, низкого давления. У первой прямоугольные наконечники, расположенные вплотную друг возле друга. Наконечники управляются от одного регулирующего двухседалищного дроссельного клапана, соединённого с регулятором. Осевое давление со сто­роны реактивной турбины воспринимается уравновешивающим диском под давлением масла; для этой цели установлен особый насос.

Набивка сальников достигается при помощи большого числа пружинящих и плотно прилегающих к валу дисков кольцеобразной формы. Подшипники покоятся на шаровых поверхностях и могут быть устанавливаемы по высоте. Турбина может быть пущена в ход лишь тогда, когда прибор для нагнетания смазки будет в действии.

Зубчатая передача. Передача состоит из реверс-редуктора и, в ряде конструкций, валопроводов и силовой передачи тележек. В некоторых выполненных конструкциях паротурбовозов валопроводы и силовые передачи тележек отсутствуют, как и сами тележки. Вращающий момент на движущие колёса передаётся в этом случае шестернями или посредством отбойного вала.

Реверс-редуктор предназна­чен для передачи мощности от вала тяговой турбины к ведущим осям и для изменения направления движения локомотива при неизменном направлении вращения турбины. Условия работы редуктора с турбинным приводом на локомотиве отличаются от условий работы на других транспорт­ных установках большой мощности. Специфично сочетание максималь­ных нагрузок при трогании и во время разгона состава с работой со значительными окружными скоростями (до 100 м/с) в зацеплении зубчатых колёс при больших скоростях движения.

В процессе выбора схемы реверс-редуктора необходимо обеспечить работоспособность зубчатой передачи и подшипников, надёжность и простоту реверса, технологичность, минимальные габаритные размеры, минимальную массу и др. Из многообразия возможных схем силовой пере­дачи реверс-редуктора можно выделить два принципиальных направле­ния: схемы, в которых каждое зубчатое колесо передает полную мощ­ность (однопоточные), и схемы с симметричным разделением потока мощности в первой, имеющей наибольшую частоту вращения, ступени (двухпоточные). Достоинством однопоточных схем является их сравни­тельная простота, малые габаритные размеры и высокий к.п.д. Однако в них трудно решается вопрос обеспечения нормальных условий работы подшипников ведущего вала редуктора, в которых при трогании может иметь место сухое или полужидкостное трение, что недопустимо.

Двухпоточные схемы, при которых редуктор выполняют двухсту­пенчатым, несколько сложнее, имеют большее количество зацеплений, большие габаритные размеры и массу. Однако они обеспечивают почти полную разгрузку подшипников ведущего вала и некоторое снижение окружных скоростей в зацеплении за счёт уменьшения размеров веду­щей шестерни. Для турбовозов разработано несколько вари­антов реверс-редуктора по различным схемам.

По одному из вариантов реверс-редуктор вы­полнен по простейшей однопоточной схеме с реверсом, расположен­ным на выходном валу. Корпус редуктора — составной, из трёх частей, с двумя вертикальными разъёмами. В нижней части к корпусу прикреплён поддон, являющийся масляным резервуаром систем смазки редуктора, турбины и вспомогательных агрегатов.

Главная передача реверс-редуктора состоит из шести шевронных зубчатых колёс, оси которых совпадают с плоскостями разъёма корпуса. Ведущий вал и валы реверса опираются на подшипники скольжения, промежуточный вал — на подшипники качения. Посредством торсион­ного вала ведущий вал связан с тяговой турбиной. С другой стороны к нему при помощи обгонной муфты подсоединено валоповоротное устройство, служащее для проворачивания ротора тяговой турбины после её останова. Для останова тяговой турбины в процессе реверсиро­вания предусмотрено тормозное устройство, соединённое с промежуточ­ным валом редуктора.

Муфта реверса имеет три фиксированных положения: «Ход впе­рёд», «Нейтраль» и «Ход назад». Работа механизма реверса осущест­вляется следующим образом. При пуске турбины и на стоянках локомотива муфта реверса всегда находится в положении «Нейтраль», разобщая двигатель и колёса локомотива. Турбина и соединённые с ней постоянно зубчатые колёса главной передачи редуктора могут свободно вращаться, обеспечивая тем самым равномерный прогрев ротора турбины.

Перед началом движения локомотива рукоятку реверса на пульте машиниста устанавливают в положение «Вперёд» или «Назад». При этом кратковременно снижают до минимума крутящий момент на валу тяговой турбины и впускают воздух в пневмокамеры тормозного устройства, в результате чего турбина останавли­вается. После полной остановки турбины тормозное устройство отклю­чают и через специальное блокировочное устройство подают сжатый воздух в цилиндр реверса, от которого через рычажную передачу муфта реверса перемещается в рабочее положение.

Возможность проворота ротора турбины создает условия, способ­ствующие безусловному включению муфты. Во включённом положении муфта реверса автоматически фиксируется стопорным устройством. Рукоятку реверсора в положение «Нейтраль» переводят при полностью остановленном локомотиве в той же последовательности, что была описана выше.

В тележечных локомотивах выходной вал реверс-редуктора с тележками локомо­тива соединяет валопровод, который благодаря центральному располо­жению редуктора в кузове выполнен симметричным, что предпочтитель­нее с точки зрения уменьшения автоколебаний, возникающих в трансмиссии при боксовании. При выборе типа валопровода необходи­мо учитывать наличие значительного переменного прогиба рамы локо­мотива по мере расходования топлива из бака. Разработано несколько вариантов валопровода. В одном из них валопровод представляет собой два полых вала, уста­новленных на подшипниках качения в опорах, закреплённых на раме. Со стороны карданных валов опоры имеют подшипники, служащие для восприятия осевых сил. Соединение валов с выходным валом реверс-редуктора осуществлено зубчатыми муфтами.

Силовая передача тележек принята аналогичной установленной на тележечных локомотивах. Возможность её применения обусловлена тем, что при выборе передачи определяющим с точки зрения прочности яв­ляется крутящий момент при трогании локомотива с места.

Тендер. Тендер большинства конструкций паротурбовозов с конденсацией пара схож с тендер-конденсатором конденсационных паровозов. Однако, существуют паровозы, в которых пар, отработав в машине, утилизируется в турбине низкого давления.

Турбина может находиться на самом локомотиве, а может размещаться на тендере в качестве бустерного двигателя, служащего для привода движущих осей тендера.

Помимо паровой турбины низкого давления на таком тендере обычно размещается оборудование для конденсации пара.

Тендер получается сложным, требует специального обслуживания, однако при этом локомотив получает дополнительную мощность для тяги.

В качестве примера на приводимой иллюстрации показан турбинный тендер Южно-Американских железных дорог.

2.3. Европейские паротурбовозы

Первый турбинный локомотив Белуццо. Первым турбовозом был небольшой экспериментальный локомотив 0—1—1—0, разработанный профессором Джузеппе Беллуццо в Италии в 1907—1908 гг. Акционерным обществом механических мастерских в Милане был переоборудован старый маневровый паровоз 0—3—0, построенный в 1876 г.: снята одна ось и установлено четыре турбины, по две с каждой стороны. Пар проходил через все четыре турбины по очереди, а после выбрасывался в трубу. Сначала пар направлялся к передней правой турбине, а затем к правой задней турбине через гибкую трубу, видимую на рисунке. Отработавший пар направлялся к задней левой турбине, затем вперед к передней левой турбине и, наконец, выходил в дымоход через обычную выхлопную трубу. Говорят, что турбины приводили четыре колеса в движение независимо, поэтому предположительно колёса не были прикреплены к осям обычным способом. Поверхность испарения 30 м2 и давление в котле 9,5—10 ат были сохранены.

Этот уникальный локомотив прослужил тринадцать лет и был разоборудован в 1921 г. Испытания, безусловно, были проведены, но неизвестно, находился ли он в регулярной эксплуатации. Возможно, малое передаточное отношение и, как следствие, низкая эффективность стали причиной неудачи проекта, который был реализован за десять лет до появления следующего итальянского турбинного локомотива. В настоящее время не известно никаких подробностей о работе самого первого турбовоза. Его масса 26 т; длина 7,1 м.

Турбовоз Белуццо-Бреда. В 1931 г. Беллуццо консультировал проектирование турбинного локомотива 1—4—1 постройки компании Ernesto Breda. У него были турбины высокого и низкого давления. Длина локомотива 14,35 м. Никакая другая информация не сохранилась, даже давление в котле. Предполагается, что он был испытан на заводе Breda в Милане, но, по-видимому, Итальянская государственная железная дорога не могла позволить запустить его на главной линии; означает ли это, что у него была очевидная неисправность, которая могла бы задержать движение, и когда случилась поломка, неизвестно.

Конденсатор был установлен под передней частью котла, а циркулирующая вода охлаждалась в холодильнике, установленном в передней части локомотива. Котёл был обычным, с обычными трубками перегревателя, и тяга создавалась тройной выхлопной трубой. Вентиляторная тяга, используемая во многих других турболокомотивах, была явно исключена, поскольку всегда имелись проблемы, когда лопатки разрушались золой и шлаком, содержащимися в выхлопных газах. В связи с этим возникает вопрос о назначении конденсатора, так как если бы он был предназначен для экономии воды, выпуск пара в выхлопную трубу не был бы полезен. (Возможно, там был клапан, который перекрывал выхлопные трубы, когда выпуск был не нужен). Другим конструктивным решением было оставить конденсатор на локомотиве, а не ставить его в тендер, так как это позволило избежать гибких трубопроводов большого диаметра между локомотивом и тендером для выпуска пара из турбины. На швейцарском турбовозе Цёлли принят похожий подход, но сохранён охладитель воды на тендере. Одной из необычных особенностей этой машины Беллуццо-Бреда было то, что у неё было две трубы; одна над охладителем (на первом фото слева вверху) и ещё одна позади неё над двумя передними осями. Фактически, передняя труба была ещё одним выходом воздуха для охладителя воды и была оснащена вентилятором, приводимым в действие небольшой вспомогательной турбиной. Эта турбина также приводила в движение циркуляционный насос конденсатора.

Турболокомотив государственных железных дорог Италии №685.410. В 1933 г. механические мастерские Миани-Сильвестри-Гродона-Коми во Флоренции переделали для Итальянских государственных железных дорог паровоз серии 685 типа 1—3—1 в турбовоз. Он был построен для обслуживания экспрессов, с турбиной, установленной спереди. Конденсатор не был установлен. Локомотив был испытан на участке между Флоренцией и Пистойей, но, похоже, больше никогда о нём не слышали, что указывает на то, что этот проект тоже был неудачным. Проектная максимальная скорость составляла 130 км/ч, но какая она была в действительности — неизвестно.

Турбина и отбойный вал этого локомотива находятся спереди. Турбины переднего и заднего хода, построенные на Schwartzkopff, были установлены на одном валу с управлением форсунками группой из четырёх клапанов. В начале испытаний выяснилось, что подшипник турбины заклинило, что привело к серьёзному повреждению лопаток. Турбина не была восстановлена, и испытания были оставлены; это был конец паротурбинных экспериментов в Италии. Масса локомотива 72 т, длина неизвестна, поверхность нагрева 191 м2, давление в котле 12 ат, максимальная частота вращения турбины 7000 об/мин.

Швейцарский локомотив Цёлли. Этот малоизвестный швейцарский локомотив, построенный компанией SLM/Escher-Wyss/Zoelly в 1920 г., был первым серьёзным турбинным проектом. По некоторым причинам он не упоминается в большинстве книг о локомотивах. Это было переоборудование старого локомотива типа 1—3—0 федеральных железных дорог в турбовоз типа 2—3—0. У нового локомотива была шестиступенчатая швейцарская импульсная турбина Цёлли, расположенная поперечно перед дымовой коробкой, отдельная двухступенчатая турбина Кёртиса, используемая для заднего хода. Подача пара контролировалась двумя наборами клапанов. Основная турбина развивала мощность 1200 л.с. и приводила в движение спаренные колёса через двухступенчатую редукторную передачу с отношением 1:28, карданный вал и соединительные тяги. Частота вращения турбины составляла 7500 об/мин при запланированной максимальной скорости 75 км/ч. Феликс Брун говорит, что, кажется, было три разных версии конденсатора. Первым был поверхностный конденсатор под котлом. Он оказался неудовлетворительным, поэтому его заменили два длинных поверхностных конденсатора по бокам, где пар проходил через трубки конденсатора, окружённые водой. Затем они были снова заменены двумя поверхностными конденсаторами, установленными ниже по бокам. Теперь вода проходила через трубопровод конденсатора; это обычная практика в конденсаторах для электростанций и т. д. На тендере сначала был охладитель водяного распыления с естественной тягой, который позже был заменён версией с принудительной тягой с отдельной турбиной для привода вентилятора. Два поверхностных конденсатора были размещены с обеих сторон котла, используя охлаждающую воду из тендера. Эта вода возвращалась в тендер турбонасосами. Котёл обычного локомотивного типа с дымогарными трубами имел рабочее давление 11,5 ат. Конденсационная система естественным образом предотвращает использование обычной выхлопной трубы для тяги котла, и она сначала обеспечивалась с помощью воздуходувки холодного воздуха под решёткой. Эта весьма необычная конструкция позволила избежать условий работы вытяжного вентилятора в нагретом до 300°C отработавшем газе, создававших проблемы во многих последующих конденсационных локомотивах. Но при этом топка находилась под избыточным давлением, и воздуходувку приходилось останавливать каждый раз, когда нужно было забрасывать топливо. Эта чрезвычайно опасная система (можно надеяться, что воздуходувка и топочные дверцы были заблокированы, но история об этом молчит) вскоре была заменена вытяжным вентилятором, установленным на двери дымовой коробки.

Немецкий турбовоз Круппа-Цёлли. После многих опы­тов, обнаруживших ряд недостатков конструкции Цёлли, выполненной заводом Escher Wyss & Сo и заводом в Винтертуре в 1921—1922 гг. в виде переделки швейцарского паровоза 1—3—0 в турбовоз 2—3—0, турбовоз Цёлли был заново построен Круппом в 1924 г. Турбовоз Т18 был развитием швейцарского локомотива Цёлли; существенным отличием было то, что в тендере был размещён большой конденсатор.

Новый локомотив мощностью около 2000 л.с., который положен заводом Krupp в Эссене в основу проекта своего паротурбовоза, являлся первым в Германии и по внешнему виду похож на обычные паровозы, но не имел паровых цилиндров с крейцкопфами. Вместо них имелся шатун, передающий движение первой ведущей оси; остальные движущие оси спарены с первой, как и на паровозах. Перед котлом с правой стороны его установлена турбина для переднего хода, а с левой стороны турбина для заднего хода. Турбина работает экономично только при большой частоте вращения, и передача от турбины к ведущей оси (посредством зубчатых колёс) уменьшает эту частоту.

Отработанный пар из турбины не выпускался через дымовую трубу в атмосферу, как в обычных паровозах, а поступал в конденсатор (левее турбины), где он сгущался в воду. Вода подавалась насосом в котёл, проходя через подогреватель. Таким образом вода совершала полный кругооборот, так что не приходилось наполнять котёл свежей водой; вместе с этим отпадала надобность в трудной и дорогой очистке котла от осадков и котельного камня, и это значительно удлиняло срок службы котла и пробег паротурбовоза между последовательными ремонтами.

Для сгущения пара в конденсаторе необходимо постоянное охлаждение; оно производилось водой, которая при этом сама нагревалась и должна была, в свою очередь, охлаждаться. В тендере невозможно везти такого большого запаса охлаждающей воды, чтобы постоянно снабжать конденсатор свежей водой, охлаждение согревшейся воды производилось на тендере, а именно в коробке под ящиком, наполненным топливом. Охлаждение воды производилось вентилятором, который подавал сильную струю воздуха навстречу потоку воды.

В паровозах с поршневой машиной отработанный пар пускается в дымовую трубу для того, чтобы усилить тягу, необходимую для горения топлива. В турболокомотиве приходится устанавливать для той же цели особый вентилятор, который вытягивает горячие газы и направляет их в дымовую трубу.

Для парового отопления вагонов от турболокомотивов пар берут непосредственно из паровозного котла; это нежелательно, так как нарушает кругооборот воды в локомотиве и заставляет добавлять в котёл свежей воды. Завод Krupp разрешил этот вопрос путём устройства небольшого добавочного котла, вода в котором нагревается паром из большого котла. Этот добавочный котёл имеет вид купола над главным котлом, расположенного вблизи будки машинистa.

Как видим, паротурбовоз требует большего количества добавочных приборов, чем обычный паровоз, а потому управление им несколько сложнее и стоимость его несколько выше; но зато расход топлива оказывается на 20% ниже, чем у паровоза новейшей современной конструкции.

Турбина была расположена впереди котла, чем устранялся гибкий паропровод высокого давления.

Передача от вала турбины осуществлена цилиндрическими зуб­чатыми колёсами через промежуточную ось на отбойный вал, откуда при помощи шатунного механизма и спарников — движущим колёсам турбовоза.

Конденсатор — водяной, с обратным охлаждением.

Локомотив поставлен в LVA (Локомотиво-испытательный завод) в 1928 г. На нём имелась шестиступенчатая турбина переднего хода, которая развивала 2000 л.с. при 6800 об/мин. У турбины заднего хода было три ступени.

Турбовоз Круппа-Цёлли не развил проектной мощности и дал только 1420 л.с. на крюке вследствие слабого котла и несоответствия его турбине, но с точки зрения теплотехнической он дал исключи­тельно хорошие результаты: при скорости 80 км/ч полный расход пара (с учётом расхода на вспомогательные нужды) 5,21 кг/л.с.ч и угля 0,6 кг/л.с.ч.

Отставлен от службы после бомбардировки в 1940 г.

Турбовоз Маффея. Заводом Maffei в Германии в 1924 г. построен ещё один турбовоз Т18 мощностью 2000 л.с. напоминающий конструкцию Цёлли. Коэффициент полезного действия на пальце отбойного вала — 15,6%, т. е. вдвое выше, чем у нормального паровоза.

Построенный паротурбовоз предназначен для быстрых и тяжёлых поездов. Он развивал скорость до 100 км/ч.

Высокоскоростная турбина помещена впереди.

Самой оригинальной частью паротурбовоза являлся холодильник для воды. Он сделан из двух трубчатых радиа­торов, расположенных сбоку на тендере, по которым протекала вода для охлаждения. Часть воды постоянно притекала на наружную трубчатую поверхность в то время, как два вентилятора обра­зуя сильную струю воздуха, вызывали сильное испаре­ние этой воды. При этих условиях теплота уносилась водой в состоя­нии пара, и расход воды в этом паротурбовозе не отличался от обыкновенного вида машины, работающей без охла­ждения пара.

При конструировании ранее построенных турболокомотивов имелось в виду единственно повышение экономичности использования топлива. Новый турболокомотив высокого давления при малых расходах угля давал ещё ряд преимуществ, которые косвенным образом могли содействовать повышению экономичности.

Благодаря практически полному сжиганию топлива в виде угольной пыли, с одной стороны, и благодаря конденсационному устройству с обратным поверхностным холодильником, с другой, можно было совершенно не беспокоиться о дыме, копоти и паре. Чистота обслуживания, являющаяся существенным достоинством электровозов, в дальнейшем могла быть достигнута и в паровых локомотивах.

Кроме того, благодаря свойственной котлу Бензона эластичности, приспособляемости к режиму и быстрой готовности к работе, достигаемых лёгким управлением, отоплением угольной пылью, новый локомотив приближался по своим качествам к электровозу, против которого машина с собственной силовой установкой обладает тем большим преимуществом, что не зависит от всех случайностей и возможностей повреждений, которые могут иметь место при передаче энергии на расстояние.

Благодаря ничтожно малым расходам воды турболокомотив высокого давления имеет особое значение для стран, бедных водой. Южная Африка для обслуживания своих пустынных дорог имеет поршневые локомотивы с большими запасами воды, являющимися следовательно мёртвым весом. СССР для обслуживания своих безводных степей был вынужден развивать тепловозостроение. Новый турболокомотив с отоплением углём, угольной пылью или нефтью для этих стран мог иметь серьёзное значение. Если он и не достиг термического коэффициента полезного действия дизель-локомотива, зато превзошёл его своей малой построечной стоимостью и возможностью увеличения мощности.

Локомотив Т18—1002 был доставлен в DRG в марте 1929 г. К 1934 г. локомотив прошел 60000 км. Давление пара было 22,7 ат. Несмотря на более высокое давление в котле, он был менее экономичным, чем локомотив Т18—1001 Круппа.

Турбовоз Маффея был отставлен от работы, когда получил повреждения в результате бомбардировки в 1943 г. Его котёл использовался для испытания предохранительного клапана, пока не был утилизирован в 1961 г.

Паровоз завода Henschel с турбинным бустером на тендере. Использова­ние мятого пара поршневых машин для турбин низкого давления до некоторых пор считалось сложным и практически труд­ноосуществимым, но позднее французская фирма Rateau применила этот метод для модернизации устаревших паромашинных установок.

Вместе с тем завод Henschel в Касселе (Германия) в сотрудничестве с Цёлли применил этот принцип для модернизации паровозов, взяв для опыта прусский паровоз Р8 (Т38). Паровоз снабжён вентилятором Бетца, благодаря которому высасывались газы из дымовой коробки. Вентилятор укреплён на дымовой дверке и приводился в движение непосредственно от маленькой паровой турбины. Мятый же пар двумя боковыми паропроводами на уровне боковых площа­док паровоза при помощи гибких труб отводили в тендер, предварительно пропуская через маслоотделители. Далее он поступал в турбину низкого давления, которая приводила в движе­ние ведущие оси тендера.

Локомотив был построен в 1927 г. Сам паровоз был немного модифицирован с добавлением вентиляторной тяги. Поскольку окончательный выхлоп находился под незначительным давлением, исходную дымовую трубу дымовой камеры пришлось заменить на электрический вытяжной вентилятор в дымовой камере. Замена шарового конуса вытяжным приспособлением и установка маслоотделителей — единственное заметное изменение, которым подвергся существующий паровоз. Бóльшая часть нововведения заключалась в тендере. Превращённый в движущий экипаж, он был оснащён сдвоенными ведущими колёсами по схеме 1-2-2 и нёс на себе, кроме запаса угля и воды, турбину низкого давления переднего и заднего хода с передачей к ведущим осям, конденсатор и всю установку для производства вакуума.

Турбина низкого давления сконструирована с тремя ступенями для переднего хода и с одной ступенью для заднего. Давление от 1,1 до 1,4 ат в паропроводах, соединяющих паровую машину с тур­биной, поддерживается при всех нагрузках при помощи регулятора давления.

Турбина низкого давления, как для переднего, так и для заднего хода, приводилась в движение выхлопным паром среднего давления из исходных цилиндров. Конденсатор в тендере создавал разрежение для выхлопных газов турбины, повышая тепловой к.п.д.

Турбина низкого давления, использующая мятый пар, работала при разрежении 80—85%, что предусматривало наличие конденсатора. В конструкции конденсатора Геншель отошёл от общепринятой формы и создал оригинальную модель, в которой совмещены функции поверхностного холодиль­ника и охладителя воды открытого типа с применением искусственной вентиляции. Этот холодильник надо отнести к холодильникам испарительного типа. Пар из турбины низкого давления протекает по четырём группам труб, раз­мещённых параллельно и находящихся в воздушном по­токе. Три пропеллера Бетца, расположенные в крыше тендера, всасывают охлаждающий воздух через конден­сатор. Образующийся конденсат и воздух удаляются воздушным насосом, размещённым внизу, а циркуляционный насос создаёт циркуляцию охлаждающей воды и подаёт её из ниж­ней части тендерного бака под холодильником в распре­делительные трубки над каждой группой труб, в которых течёт пар из турбины низкого давления.

Как и в обыкновенном поверх­ностном холодильнике, теплота пара передаётся охла­ждающей воде, которая, нагревшись, проходит через охладитель. Вода при своём падении создаёт большую поверхность для поднимающегося вверх тока воздуха и таким образом передаёт последнему свою теплоту. Те­плота передаётся как непосредственным нагреванием, так и испарением части воды. Опыты, произведённые с этой конструкцией, показали, что необходимая поверхность охлаждения оказалась не больше той, какая потребова­лась бы при поверхностном конденсаторе обычного типа с циркуляцией воды.

Турбина низкого давления с её аттрибутами расположена под угольным ящиком тендера. Вспомога­тельная турбина, питаемая острым паром и расположенная выше выхлоной трубы турбины низкого давления, служила для приве­дения в движение питательного насоса, трёх вентиля­торов и группы насосов, расположенных внизу и состоя­щих из конденсатного насоса и циркуляционного.

Паровоз Геншель-Цёлли с бустерным тендером успешно выполнил назначенную серию пробных туров, после чего испытательная станция немецких ж. д. в Грюнвальде детально испытала эту машину. Испытания проводились в конце 1927 г., но результаты не обнадеживали. Были сообщения о том, что чрезмерная мощность терялась из-за сопротивления воздуха в турбине заднего хода, что говорило о недостаточном вакууме конденсатора. Поэтому турбина заднего хода была удалена, поскольку локомотив с поршневым двигателем был вполне способен перемещать поезд задним ходом. Также, похоже, были проблемы с избыточным потреблением пара вспомогательным оборудованием — предположительно различными приводами вентиляторов.

В 1937 г. локомотив был переведен на нормальный режим работы и ему прицепили обычный тендер, а в марте 1961 г. он был списан.

За границей метод усиления паровоза применением турботендера не привился, т. к. здесь помимо сложности, присущей турбовозу вообще, т. е. осуществления конденсации и передачи, ещё прибавляется длинный гибкий паропровод, вопросы регулирования турбины и отделения от мятого пара масла, вредно действующего на работу турбины и конденсатора и пр. Тем не менее турботендер в 1935 г. был построен для СССР и испытывался на нашей сети.

Турбоэлектровоз Рейда-Рэмси. Он был первым турбинным локомотивом, построенным в Великобритании в 1910 г. Северо-Британской локомотивной компанией (NBR).

Обычный котёл локомотивного типа с перегревом питал импульсную турбину, работающую при 3000 об/мин и напрямую связанную с динамо-машиной постоянного тока, которая вырабатывала от 200 до 600 В. Она снабжала энергией четыре сериесных тяговых двигателя 275 л.с., установленных непосредственно на осях больших колёс, видимых на схеме ниже. По сути это была электростанция на колёсах. Турбогенератор в собранном виде был установлен в центральной части локомотива между котлом и конденсатором. Были установлены как вакуумные, так и пневматические тормоза Вестингауза.

Конденсатор был эжекторного типа, в котором пар конденсируется путём непосредственного контакта с брызгами холодной воды, а не поверхностный, используемый на судах, где циркулирующая вода, будучи солёной, должна храниться отдельно. Паровые турбины не требуют внутренней смазки (подшипники вала, конечно, смазываются, но они не находятся в прямом контакте с паром), поэтому конденсированная вода была безмасляной и могла быть закачана обратно в котёл. Вода прокачивалась центробежными насосами, приводимыми в действие вспомогательными турбинами. Операция была следующая: циркулирующая вода перекачивалась из резервуаров по бокам котла в эжекторный конденсатор; смешанная с водой из конденсированного отработанного пара, она входила в горячую зону; отсюда второй насос доставлял её в охлаждающие трубки в передней части локомотива, а из них она возвращалась в резервуары для воды.

Конденсатор, установка которого была мотивирована желанием создать эффективные условия выхлопа для турбин, а не экономить воду, означала, что обычная выхлопная труба для создания тяги была непригодной. Вспомогательная турбина приводила во вращение вентилятор в охладителе, который пропускал воздух через охлаждающие трубки, и, согласно описанию в одном из французских журналов, часть этого нагретого воздуха направлялась в топку. Это подразумевает закрытую топку, работающую под положительным давлением, сильно затрудняющим загрузку топки. Было необходимо останавливать вентилятор конденсатора (вытяжной вентиляции) каждый раз, когда открывались дверцы топки, иначе пламя вырывалось наружу.

Общая масса локомотива составляла 132 т, сцепная — 89 т; это кажется не сильно удачной пропорцией и, очевидно, было результатом выбранного типа 2—2—0+2—2—0. Неясно, насколько оправданно наличие четырёх поддерживающих осей. Тип 1—3—0+1—3—0 привёл бы к большей сцепной массе, но потребовал бы шести электродвигателей или какой-либо формы спаривания осей.

Насколько хорошо локомотив показал себя в эксплуатции, информации практически нет. Британский журнал «The Engineer» за 8 июля 1910 г. гласит: «Локомотив… прошёл определённые испытания на подъездных путях завода один, а также в составе с гружёными вагонами … … он недавно прошёл предварительные испытания на главных линиях Каледонской и Северо-Британской железных дорог, с прицепленным вагоном-салоном».

Это были явно первые дни тестирования, и никакой дополнительной информации о показателях работы пока не поступало. Есть подозрения, что было много неприятностей.

Паротурбовоз с электрической передачей Рейда-Рэмси был слишком сложным и дорогим («The Engineer»). Он не мог иметь огромного успеха, т. к. был демонтирован и восстановлен в 1924 г. с использованием редуктора с двумя турбинами, по одной на тележку (см. Турбовоз Рейда-Маклауда).

В течение некоторого времени предполагалось, что локомотив Рейда-Рэмси мог быть оснащён вращающимся испарительным конденсатором. На самом деле такой конденсатор был установлен на турбинном локомотиве Armstrong-Whitworth.

Турбоэлектровоз Рэмси, построенный в 1922 г., представлял в сущности электросиловую установку на колёсах и, в этом отношении, он несомненно имел конструктивный интерес. Паровая турбина непосредственно соединена на одном валу с альтернатором, передающим ток четырём электромоторам, из которых два находились в той части локомотива, где помещался котёл, а остальные два — где конденсатор. Мощность, развиваемая турбогенератором равна 890 кВт или около 1300 л.с., если принять коэффициент полезного действия равным 0,92. Общая масса этого турбовоза 154 т, что составляет 118,5 кг/л.с.

Если сравнить его с паровозом обычной конструкции той же мощности, то такой вес оказывается значительным. Мы имеем в виду 4-х осный пассажирский паровоз, масса которого вместе с полно нагруженным тендером 99,1 т и развиваемая мощность 1100 л.с. при скорости 60 англий­ских миль в час; это составляет 90,1 кг/л.с.

Вся длина турбовоза Рэмси, измеренная по буферам, равна 21,2 м, а по основанию колёс 18,1 м. Из сопоставления этого паротурбовоза с обыкновенным паровозом английской конструкции (Gresley «Pacific»), у которого эта длина соответственно равна 21,5 м и 18,6 м и масса на 1 л.с. равна только 76 кг, можно видеть каким громоздким является турбовоз при его мощности.

Возможно в будущем на некоторых направлениях может использоваться твёрдое топливо в паротурбовозах при отсутствии удовлетворительных средств для уменьшения быстрой эрозии лопаток газовых турбин, работающих на твёрдом топливе. Некоторая дополнительная информация об этом более позднем локомотиве Reid-Ramsey вполне может иметь практическое, а также историческое применение.

Турбинный локомотив Рейда-Маклауда. Следующие усилия Северо-Британской локомотивной компании были направлены на создание локомотива с прямым (непосредственным) приводом.

Турбинный локомотив Рейда-Маклауда 1924 г., представлявший собой переделку турбоэлектрического локомотива Рейда-Рэмси 1910 г. с повторным использованием рамы, тележек и котла, так и не вышел за рамки эксперимента.

Краткое упоминание различных паровых локомотивов, приводимых в действие турбиной вызвало интерес к подобной тяге на рельсах. Некоторые предполагают, что, поскольку любая турбина имеет тенденцию быть машиной с постоянной скоростью, то для получения наилучших результатов предпочтительнее было бы применять турбоэлектрический привод, поскольку другой способ имеет относительно небольшой диапазон мощности.

Однако, как было заявлено, турбоэлектрический локомотив Рейда-Рэмси, был перестроен в турбинную машину с прямым приводом в единственном экземпляре, которая была описана следующим образом: «По меркам 56-летней давности локомотив был ультрасовременным, и даже сегодня он бы претендовал на то, что мог быть паровозом завтрашнего дня». Показанный на выставке Британской империи в Уэмбли в 1924 г., этот локомотив был очень продвинутым для своего времени.

В одном из критических замечаний отмечалась сложность конструкции. В тогдашних условиях на железных дорогах это довольно сильно могло повлиять на решение не продолжать дальнейшее развитие турбовоза. Сообщалось, что локомотив ненадёжен, часты отказы на испытаниях. Однако почти на каждой машине новой конструкции возникают проблемы (ошибки), которые в случае такой сложной конструкции можно было бы изучить. Не исключено, что сложность конструкции была не больше ныне распространённых дизель-электрических локомотивов.

При проектировании сотрудничали сэр Хью Рэйд из Северобританской Локомотивной Компании, Глазго, и Джеймс Маклауд, в основном и продвигавший паровую турбину. Локомотив был типа 2+2+0—0+2+2; паровые турбины, приводящие оси через зубчатую передачу, одна из которых была высокого давления, а другая — низкого давления, установлены на тележках (по одной турбине на каждой тележке). В основном локомотив состоял из опирающихся на две составные тележки непрерывных балочных рам с котлом, угольных бункеров, резервуаров для воды, кабины, конденсатора и вспомогательного оборудования. Он был предназначен для следования конденсатором вперёд, уголь и вода хранились по обе стороны котла, просторная кабина находилась в центре. Видимо, хватало места на девять человек — вполне роскошно по сравнению с обычными паровозными будками 1924 г. и позже.

Котёл обычного паровозного типа с перегревателем находился сзади, за центральной кабиной и питал паром 12,7 ат и 370°С (то есть при перегреве 160°С) импульсную турбину высокого давления. Как и импульсная турбина низкого давления, она развивала 500 л.с. при 8000 об/мин, что соответствовало скорости движения 97 км/ч. Пар поступал сначала в турбину высокого давления, после расширения в которой проходил вперёд и подавался через приёмные трубы в турбину низкого давления аналогичного типа. Отработав в этой турбине, пар подавался в испарительный трубчатый конденсатор с воздушным охлаждением, установленный спереди для максимального воздушного потока, которому помогал вентилятор с приводом от паровой турбины. Конденсатор состоял из двух основных групп медных трубок, которые можно было опрыскивать водой; по мере испарения на трубках охлаждение значительно увеличивалось. Вентилятор, приводимый в действие турбиной, втягивал воздух по трубкам, на которые в конце впуска из пучка струй направлялась мелко распылённая холодная вода, при этом влажный воздух выпускался в атмосферу. Распылителями управлял машинист в соответствии с условиями работы. Отработавший пар поднимался по трубкам первой группы и спускался по трубкам второй, а конденсат отводился и выпускался через промежуточный охладитель воздушного насоса в сборник горячего конденсата под кабиной с помощью роторного насоса. Естественный поток воздуха обеспечивался, когда локомотив шёл конденсатором вперёд; когда этого было недостаточно, вентилятор с турбинным приводом вытягивал большее количество воздуха по трубам. Из сборника горячего конденсата вода отбиралась питательным насосом котла и подавалась в котёл через подогреватель питательной воды. Подогрев воды осуществлялся выхлопным паром, отбираемым от лубрикатора принудительной смазки, питающего насоса котла и тормозных насосов Вестингауза.

Из-за наличия конденсации пар не шёл в выхлопную трубу, и использовались либо дутьё, либо принудительная тяга. Вентилятор, приводимый в движение паровой турбиной, подавал вытяжной воздух в зольник, когда топочная дверца закрывалась; когда её открывали, блокировщик на дверочной защёлке направлял воздух вверх по дымоходу, чтобы вызвать тягу. Этот двойной способ подачи воздуха для создания тяги в топке был разработан, чтобы предотвратить выброс огня через топочную дверцу. При закрытии топочной дверцы переход от принудительной тяги к дутью происходил автоматически.

Укомплектованные турбины с трансмиссионными блоками помещались со своими коробками передач в маслонепроницаемом кожухе, перемещавшемся по вертикальным направляющим на шести винтовых (спиральных) пружинах, смазывавшихся под давлением. Поэтому кожух редуктора мог перемещаться независимо от смещения колёс. В каждый корпус встроены турбины заднего хода, вырабатывющие 70% мощности турбин переднего хода. Турбины имели три диска с лопатками для переднего хода и отдельный одиночный диск для заднего хода.

Масляные редукторы были разделены в продольном направлении для лёгкого доступа и удобства обслуживания, смазка была принудительная. Осевые коробки были снабжены пластинчатыми пружинами.

У каждой тележки было четыре оси, но приводились только две с большими колёсами. Турбины высокого давления переднего и заднего хода были установлены на задней тележке непосредственно под котлом; турбины низкого давления переднего и заднего хода были установлены на передней тележке под конденсатором. Они были соединены с колёсами посредством двухступенчатого редуктора: первая ступень — двойная винтовая — имела отношение 8:1, вторая — коническая зубчатая — 2,38:1, что в итоге составляло 19:1. Две спиральные шестерни, с противоположными витками, на высокоскоростном валу приводили в движение соответствующие спиральные колёса. Такая конструкция обеспечивает четыре точки опоры, что является надёжной опорой для относительно лёгкого вала шестерни. К каждому концу промежуточного вала прикреплено небольшое коническое колесо. Так как оно сцеплено с большим колесом на противоположной стороне, на выходе был получен однонаправленный привод. Привод иглы защищал турбины от вибрации и смещения рабочего колеса. Конические колёса большего размера были прикреплены к полому валу с дисками на каждом конце и тремя блоками. Этот вал окружал приводимую ось и мог вращаться независимо в ограниченной степени. Оси проходили через иглы (четверики), и колёса двигались в любом направлении через три спиральные пружины сжатия, сферически сидящие в блоках и в аналогичных выступах на самих колёсах.

При общей массе в рабочем состоянии 135 т, это был тяжёлый локомотив мощностью более 1000 л.с. Создание такого локомотива было смелой попыткой, осуществлённой задолго до своего времени, и, несомненно, способной к значительной доработке, особенно в свете современных знаний.

Надо сразу сказать, что дизайн, хотя во многих отношениях и очень гениальный, в целом был неудачным. Видимость впереди была очень сильно ограничена шириной конденсатора.

Управлять этим локомотивом было сравнительно просто. Изменение направления движения локомотива достигалось поворачиванием штурвала управления, с помощью которого изменяли направление и скорость. Для переднего хода пар впускался через два трёхдюймовых клапана с двойным ударом, один открывался за другим. Оба использовались для полного пропуска пара. Единственный четырёхдюймовый клапан использовался для заднего хода.

Пуск в работу локомотива из холодного состояния не представлял большой сложности. После того, как пар был поднят, запускался насос принудительной смазки, также приводимый в действие турбиной, и задействовались вентилятор принудительной тяги и водяные насосы: конденсатный и распылителя. Открывали главный запорный вентиль котла, затем клапаны переднего и заднего хода для прогрева турбин. Затем главный запорный вентиль котла открывали на вторую ступень, закрывали главный и вспомогательный сливные краны, открывали запорные клапаны к лабиринтным сальникам турбины и запускали турбину вентилятора. Вся процедура занимала семь минут.

При первоначальных испытаниях на динамометре на заводе в Гайд-парке было зарегистрировано тяговое усилие в 7 тс.

Журнал дня сообщал: «Достигнув навеса двигателя, мы обнаружили пар под давлением 176 фунтов с вакуумом в 27 дюймов в конденсаторе. При небольшом перемещении колеса управления в направлении вперёд, локомотив медленно выбрался из сарая и двинулся к стрелке. Её несколько раз переводили назад и вперёд, пока не был обеспечен свободный проход на запасной путь. Заехав на запасной путь, локомотив был соединён с грузовым поездом весом 280 тонн. Рельсы были очень замасленные и колёса сильно проскальзывали, но локомотив неуклонно ехал с поездом, и было совершено несколько поездок на расстояние от 300 до 400 ярдов. Затем вагоны были отцеплены, и были проведены испытания на маневрирование, при котором локомотив изменял направление движения простым поворотом колеса управления в нужном направлении и без остановки турбины».

Последнее утверждение явно неверно. Поскольку передняя и задняя турбины были закреплены на одном валу, они должны были остановиться перед тем, как начать вращаться в противоположном направлении.

Более тщательные испытания имели место в период с марта 1926 г. по апрель 1927 г. Первое испытание Глазго — Эдинбург, в котором участвовало всего два вагона, пришлось прекратить в Гринхилле из-за проблем с циркуляционными насосами конденсатора. Расширенные испытания были проведены на LNER 28 марта 1926 г., когда было отмечено, что «почти полное отсутствие вибрации, колебаний и ударов по рельсам было отличительной чертой в локомотиве и вагонах» — особенности, которые «особенно впечатлили присутствующих ведущих железнодорожных чиновников». Вторая поездка, проведённая на участке Глазго — Эдинбург — Глазго, выявила проблемы с буксами во время поездки туда, а на обратном пути в Глазго у локомотива произошёл отказ турбины; видимо, поездки больше не возобновлялись. Пожалуй, уже стало ясно, что конструкция локомотива не жизнеспособна.

Говорили, что у локомотива был недостаточен котёл, но весьма вероятно, что в конечном итоге причиной неудачи было просто то, что турбины эффективны только при одной расчётной скорости (или вблизи неё), что хорошо для электростанций, но не для локомотивов, где турбины, механически соединённые с движущими осями, должны работать с резко переменными скоростями. Похоже, что по этой причине локомотив Рейда-Маклауда расходовал огромное количество пара во время трогания и разгона. В течение многих лет локомотив стоял в мастерских своего производителя, ржавый и заброшенный. В конце концов он был разрушен, чтобы освободить место для бомбоубежищ в первые дни второй мировой войны.

Турбинный локомотив Бейера-Юнгстрема. Локомотив был построен компанией Beyer-Peacock, Манчестер, Великобритания, технология турбины получена от Ljungström Anturbin из Швеции.

Локомотив Beyer-Ljungström содержал шесть спаренных движущих колёс под тендером, на котором установлены силовой турбоагрегат, а также конденсатор, который напрямую соединён с выхлопом турбины каналом, имеющим большую площадь. Это важно для получения максимальной эффективности от конденсационной турбины из-за большого объёма расширения и, следовательно, большого объёма отработанного пара.

Турбина имела одну импульсную ступень, за которой следовали 18 рядов реакционных лопаток. Её проектная мощность составляла 2000 л.с. при 10500 об/мин, что соответствовало скорости движения турбовоза 125 км/ч. Расчётные параметры пара составляли 21 ат при перегреве 200°С.

Одним из недостатков создания конденсационного локомотива является отсутствие какого-либо выхлопа отработанного пара в дымовую трубу, необходимого для тяги газов через трубы котла и топку. Этот процесс жизненно важен для достижения высоких скоростей парообразования, требуемых от паровозного котла. Без него пришлось прибегать к вытяжному вентилятору с механическим приводом, в качестве которого использовалась небольшая паровая турбина. Она также вращала воздухоподогреватель.

Конденсаторная турбина представляла собой небольшую вспомогательную турбину, установленную позади основной тяговой турбины. Она приводила в действие вентиляторы конденсатора с помощью приводного вала. Конденсатор был снабжён четырьмя большими вентиляторами для всасывания через него воздуха. Эти вентиляторы приводились в движение другой вспомогательной турбиной.

Локомотив работал на железной дороге London, Midland and Scottish Railway (LMS) в течение 1926—28 гг., но затем был снят с эксплуатации и в конечном счёте в 1928 г. окончательно демонтирован.

От этой смелой конструкции ожидали больших успехов, но результаты были не очень хорошими, отчасти из-за утечек воздуха в конденсатор, которые портили вакуум, но в основном из-за плохого сгорания. Предполагается, что воздухоподогреватель способствовал этому. Наибольшая мощность турбины составила 1650 л.с.

Паротурбовоз LMS. Турбовоз №6202 построен в 1936 г. Это был один из немногих экспериментальных турбовозов, который реально превосходил обычные паровозы по термическому к.п.д., несмотря на отсутствие конденсатора. Это было инженерным успехом. Между 1936 и 1945 гг. он преодолел более 300 тыс. миль и в 1949 г. был окончательно снят с эксплуатации. Он был переделан в обычный Pacific и в итоге был списан в результате катастрофы в Харроу в 1952 г.