Паротурбинный локомотив

Люнгстрема с предпусковым подогревателем (около 1925 г.) Паротурбовоз

Паротурбинный локомотив — паровоз , который передавал мощность пара на колеса через паровую турбину . Были предприняты многочисленные попытки создания локомотива этого типа, в основном безуспешно. В 1930-х годах этот тип локомотивов рассматривался как способ оживить паровую энергетику и бросить вызов тепловозам появлявшимся тогда .

Преимущества

• Высокая эффективность на высокой скорости.
• Гораздо меньше движущихся частей, следовательно, потенциально более высокая надежность.
• Обычные поршневые паровозы создают переменный синусоидальный крутящий момент, что значительно повышает вероятность пробуксовки колес при трогании с места.
• Боковые тяги и клапанный механизм обычных паровозов создают горизонтальные силы, которые невозможно полностью уравновесить без существенного увеличения вертикальных сил на пути, известных как удар молота .

Недостатки

• Высокая эффективность обычно достигается только при высокой скорости и высокой выходной мощности (хотя некоторые локомотивы Швеции и Великобритании были спроектированы и построены для работы с эффективностью, равной или превосходящей эффективность поршневых двигателей в обычных условиях эксплуатации, включая частичную нагрузку). У газотурбинных локомотивов были аналогичные проблемы, а также ряд других трудностей.
• Пиковая эффективность может быть достигнута только в том случае, если турбина производит выбросы в почти вакуум, создаваемый поверхностным конденсатором . Эти устройства тяжелые и громоздкие.
• Турбины могут вращаться только в одном направлении. Чтобы паротурбинный локомотив с прямым приводом мог двигаться назад, также должна быть установлена ​​реверсивная турбина.

Методы привода

Привод колес осуществлялся двумя способами: либо непосредственно через шестерни, либо с помощью тяговых двигателей с приводом от генератора .

Прямой привод

Аргентина

Маршрут от Тукумана до Санта-Фе (Аргентина) проходит через гористую местность, где мало возможностей для плавания по воде. В 1925 году шведская фирма NOHAB построила турбинный локомотив, аналогичный Фредрика Юнгстрёма первой конструкции . Конденсатор работал вполне хорошо - в пути терялось всего 3-4% воды и только за счет протечек из бака. У локомотива были проблемы с надежностью, и позже он был заменен поршневым паровозом с конденсатором.

Франция

Две попытки были предприняты во Франции . Одна из работ, Nord Turbine, напоминала LMS Turbomotive как по внешнему виду, так и по механической конструкции. Проект был отменен, и вместо него локомотив был построен как составной поршневой паровоз. Вторая попытка, SNCF 232.Q.1 , была построена в 1940 году. Она была необычна тем, что ее ведущие колеса не соединялись боковыми тягами . Каждый из трех его ведущих мостов имел собственную турбину. Он был сильно поврежден немецкими войсками во время Второй мировой войны и списан в 1946 году.

Германия

Henschel T38-2555 с тендером паровой турбины

Неоднократные попытки создания этого типа предпринимались немецкими локомотивостроителями. В 1928 году Крупп - Золли построил паротурбовоз с редуктором. Выхлоп турбины подавался в конденсатор , который экономил воду и повышал тепловой КПД турбины. Тягу для огня обеспечивал паровой вентилятор в дымовой камере . В 1940 году в этот паровоз попала бомба. Он был выведен из эксплуатации и не ремонтировался.

Похожая машина была построена Маффеи в 1929 году. Несмотря на наличие котла более высокого давления, она была менее эффективна, чем локомотив Круппа-Золли. В 1943 году на него попала бомба, и его сняли с вооружения.

В 1927 году компания Henschel переоборудовала обычный паровоз DRG Class 38 для использования паровой турбины. Сам локомотив был мало модифицирован, основные изменения коснулись тендера , который был оснащен спаренными ведущими колесами по схеме 2-4-4, приводимыми в движение отдельными передними и обратными турбинами. Обе турбины приводились в движение выхлопным паром промежуточного давления из исходных цилиндров. Конденсатор в тендере создавал вакуум для выхлопных газов турбины, повышая тепловой КПД. Поскольку давление в выпускной системе было незначительным, первоначальную трубу дымовой камеры пришлось заменить электрическим вытяжным вентилятором в дымовой камере.

Производительность была разочаровывающей, и в 1937 году тендер на турбину сняли.

Италия

Джузеппе Беллуццо из Италии спроектировал ряд экспериментальных турбинных локомотивов. Ни один из них никогда не тестировался на основных линиях. Его первым был небольшой локомотив с четырьмя колесами, каждое из которых было оснащено собственной небольшой турбиной. Обратное движение осуществлялось за счет подачи пара в турбины через обращенный назад входной патрубок. Паровые турбины предназначены для вращения только в одном направлении, что делает этот метод очень неэффективным. Похоже, больше никто этого не делал.

Беллуццо участвовал в разработке локомотива 2-8-2 , построенного Эрнесто Бреда в 1931 году. В нем использовались четыре турбины с возможностью многократного расширения . Патент Беллуццо в США того периода показывает, что турбина приводит в движение промежуточный вал через коробку передач перед машинистами локомотива. Этот локомотив так и не был полностью достроен.

В 1933 году локомотив FS Class 685 2-6-2 стал объектом любопытного эксперимента, в ходе которого поршневой двигатель был снят и вместо него установлена ​​турбина, в остальном локомотив остался полностью неизменным. Однако проведенные испытания оказались неудачными, поскольку его производительность оказалась значительно ниже, чем у обычного 685; вскоре турбина сломалась, и это означало конец попытки. В 1936 году паровоз переоборудовали на обычный поршневой двигатель.

Швеция

Локомотив Юнгстрёма 1921 года.

Шведский инженер Фредрик Юнгстрем спроектировал ряд паротурбинных локомотивов, некоторые из которых имели большой успех. Его первая попытка в 1921 году представляла собой довольно странную машину. Три его ведущих моста располагались под тендером, а кабина и котел располагались на безмоторных колесах. В результате лишь небольшая часть веса локомотива способствовала тяге . В середине 1920-х годов Юнгстрем подал патент на привод вала для паротурбинного локомотива.

Второй дизайн представлял собой 2-8-0 , похожий на успешный грузовой дизайн. Построенные в 1930 и 1936 годах компанией Nydqvist & Holm , эти локомотивы заменили обычные на железной дороге Грангесберг-Окселёсунд . Конденсатор не был установлен, поскольку его сложность перевешивала его термодинамические преимущества. Колеса приводились в движение промежуточным валом . Эти двигатели не были сняты с эксплуатации до 1950-х годов, когда линия была электрифицирована . Было построено три двигателя этого типа, все три из которых сохранились. В настоящее время их можно увидеть в Железнодорожном музее Грангесберга , два (71 и 73) принадлежат Grängesbergbanornas Järnvägsmuseum (GBBJ), а третий (72) — Шведскому железнодорожному музею .

Швейцария

СББ №. 1801 г.

Швейцарская локомотив фирма Zoelly построила турбинный локомотив в 1919 году. Это был 4-6-0 с конденсатором. Он был оснащен нагнетателем холодного воздуха, подаваемым в решетку топки , а не всасывающим вентилятором в дымовой камере. Это позволило избежать сложности создания вентилятора, способного противостоять горячим агрессивным газам, но создало новую проблему. Топка находилась под положительным давлением , и горячие газы и огарки могли выдуваться из дверец топки, если их открыть во время работы поддувала. Это потенциально опасное устройство в конечном итоге было заменено вентилятором дымовой камеры.

Великобритания

Турбомотив

Одна из наиболее успешных турбин, работавших в Великобритании , LMS Turbomotive , построенная в 1935 году. представлял собой разновидность большого пассажирского экспресс-локомотива Princess Royal 4-6-2 . Конденсатора не было. Несмотря на недостаток теплового КПД турбины, это позволяло по-прежнему использовать выхлопные газы турбины через дымовую трубу для вытягивания огня, как в обычном паровозе, и избегать использования отдельных тяговых вентиляторов, которые доставляли столько проблем другим турбовозам. См. статью Роланда Бонда Дж. Инстна Локо. англ ., 1946, 36 (статья 458) через [1] Несмотря на это ограничение, он имел больший тепловой КПД, чем обычные локомотивы. Высокий КПД главным образом был обусловлен тем, что в турбину было направлено шесть паровых сопел, которые можно было включать и выключать по отдельности. Таким образом, каждому соплу можно позволить работать или нет на полную мощность, вместо того, чтобы неэффективно дросселировать его до более низкого давления. Определенное вдохновение, похоже, пришло от турбин Фредрика Юнгстрёма в Швеции.

Главная турбина вышла из строя после одиннадцати лет интенсивной эксплуатации. Турбомотив был переоборудован на поршневой привод в 1952 году, переименован в «Принцессу Анну» и вскоре после ввода в эксплуатацию был выведен из эксплуатации после смертельной железнодорожной катастрофы Харроу и Уэлдстоуна в 1952 году.

Другие конструкции

Локомотив Бейера-Люнгстрема

Другой локомотив был построен компанией Beyer, Peacock and Company с использованием турбины Юнгстрема Фредрика Юнгстрёма . Как и в одной из ранних конструкций Юнгстрема, ведущие колеса находились под тендером. Однако производительность разочаровала, отчасти из-за плохого нагрева котла.

Локомотив Рейда-Рэмси (описанный ниже) был перестроен компанией North British Locomotive Company , заменив его электрическую трансмиссию на прямой привод от турбины. Было проведено всего несколько испытаний, прежде чем от него отказались из-за механических неисправностей.

Соединенные Штаты

Класс S2 6200 Пенсильванской железной дороги в рекламном изображении PRR

В последние годы пара компания Baldwin Locomotive Works предприняла несколько попыток создания альтернативных дизельным технологиям. В 1944 году Болдуин построил единственный образец класса S2 для Пенсильванской железной дороги и доставил его в сентябре 1944 года. Это был самый большой в мире паротурбинный локомотив с прямым приводом и имел колесную формулу 6-8-6 . Первоначально он проектировался как 4-8-4, но из-за нехватки легких материалов во время Второй мировой войны S2 потребовались дополнительные ведущие и ведомые колеса . Под номером 6200 в списке PRR, S2 имел максимальную выходную мощность 6900 л.с. (5,1 МВт) и был способен развивать скорость более 100 миль в час (160 км/ч). Длина тендера составляла примерно 123 фута (37 м).

Паровая турбина представляла собой модифицированную морскую установку. Хотя система зубчатых передач была проще генератора, у нее был фатальный недостаток: турбина была неэффективна на малых скоростях. При скорости ниже 40 миль в час (64 км/ч) турбина использовала огромное количество пара и топлива. Однако на высоких скоростях S2 мог плавно и эффективно перемещать тяжелые поезда. Плавный турбинный привод оказывает гораздо меньшую нагрузку на путь, чем обычный локомотив с поршневым приводом. Однако низкая эффективность на малых скоростях обрекла эту турбину на провал, и с появлением дизель-электрических двигателей S2 больше не производились. Локомотив был списан в 1949 году и сдан на слом в мае 1952 года.

Электрическая трансмиссия

Великобритания

Изображение в каталоге Armstrong Whitworth Turbo Electric Locomotive

Турбина Рида-Рэмзи, построенная North British Locomotive Company в 1910 году, имела колесную формулу 2-B+B-2 ( 4-4-0 + 0-4-4 ). Пар вырабатывался в стандартном тепловозном котле с пароперегревателем и подавался в турбогенератор. Выхлопной пар конденсировался и рециркулировался с помощью небольших вспомогательных турбинных насосов. Якоря . моторов устанавливались непосредственно на четырех ведущих мостах Позже он был переоборудован в турбинный локомотив с прямым приводом, как отмечалось выше.

Турбина Армстронга Уитворта , построенная в 1922 году (изображение справа), имела колесную формулу 1-C+C-1 ( 2-6-6-2 ). Он был оснащен ротационным испарительным конденсатором, в котором пар конденсировался, пропуская его через вращающийся набор трубок. Трубки увлажнялись и охлаждались за счет испарения воды. Потери воды в результате испарения были намного меньше, чем если бы конденсатор вообще не использовался. Воздушный поток в конденсаторе должен был идти по извилистому пути, что снижало эффективность конденсатора. Локомотив был перетяжелен и плохо работал. Он был возвращен в 1923 году и сдан на слом.

Соединенные Штаты

Дженерал Электрик

Основная статья: Паротурбинные локомотивы GE

Union Pacific GE в апреле 1939 года. Паротурбинные локомотивы

В 1938 году General Electric два паротурбоэлектрических локомотива с колесной формулой 2+C-C+2 ( 4-6-6-4 построила для Union Pacific ). Эти локомотивы по существу работали как передвижные паровые электростанции и были соответственно сложными. Это были единственные конденсационные паровозы , когда-либо использовавшиеся в Соединенных Штатах. Котел Babcock & Wilcox приводивших в движение вырабатывал пар, который приводил в движение пару паровых турбин , приводивших в действие генератор , обеспечивающий мощность тяговых электродвигателей , колеса, а также обеспечивающий мощность головной части поезда. Управление котлом было в основном автоматическим, и два локомотива можно было объединить в единый агрегат , управляемый из одной кабины. Котел работал на жидком топливе, а в качестве топлива использовался тяжелый мазут «Бункер C» , то же топливо, которое использовалось на больших судах, а также топливо, которое позже использовалось в газотурбинных электровозах Union Pacific .

Union Pacific приняла локомотивы в 1939 году, но вернула их позже в том же году, сославшись на неудовлетворительные результаты. Турбины GE использовались во время нехватки движущей силы на Великой Северной железной дороге в 1943 году и, похоже, показали себя весьма хорошо. Однако к концу 1943 года колеса обоих локомотивов были изношены до такой степени, что требовали замены, а в одном из котлов локомотива появился дефект. Локомотивы были возвращены GE и разобраны.

Директор по железной дороге

Основная статья: Чесапик и Огайо класс М-1

Первый из трёх локомотивов №500.

В 1947–1948 годах Болдуин построил три необычных угольных паротурбинных электровоза для пассажирских поездов на железной дороге Чесапика и Огайо (C&O). Их обозначение было М1, но из-за дороговизны и плохих характеристик они получили прозвище «Священная корова». Агрегаты мощностью 6000 лошадиных сил (4500 кВт), оснащенные электрическими системами Westinghouse , имели колесную формулу 2-C1+2-C1-B . Их длина составляла 106 футов (32 м). Кабина располагалась в центре, впереди находился угольный бункер, а позади него - обычный котел, а на тендере возилась только вода. Эти локомотивы предназначались для маршрута из Вашингтона, округ Колумбия , в Цинциннати, штат Огайо, но никогда не могли пройти весь маршрут без какой-либо неисправности. угольная пыль В тяговые двигатели часто попадала и вода. Хотя эти проблемы можно было бы решить со временем, было очевидно, что обслуживание этих локомотивов всегда будет дорогостоящим, и все три были списаны в 1950 году.

Норфолк и Западная железная дорога

Основная статья: Норфолк и Западная железная дорога 2300

Локомотив 2300 Норфолка и Западной железной дороги - «Джон Генри»

В мае 1954 года Болдуин построил паротурбинный электровоз мощностью 4500 лошадиных сил (3400 кВт) для грузовых перевозок на Норфолкской и Западной железной дороге (N&W), получивший прозвище «Джон Генри» в честь легенды о Джоне Генри , бурителе, который, как известно, участвовал в гонках против пара. дрель и победил, но сразу же умер. Длина, включая тендеры, составляла 161 фут 1-1/2 дюйма, что, вероятно, было рекордом для паровоза; Длина только двигателя составляла 111 футов 7-1/2 дюйма, что, возможно, было рекордом для любой отдельной машины.

Установка была похожа на турбины C&O, но отличалась механически; это был C+C-C+C с Babcock & Wilcox водотрубным котлом с автоматическим управлением. Управление котлом иногда было проблематичным, и (как и в случае с турбинами C&O) в двигатели попадала угольная пыль и вода. Джаун Генри был исключен из состава N&W 4 января 1958 года.

Ссылки

• Бюллетень Baldwin Westinghouse 222 (переиздание ALCO Models). 1944 год.

Внешние ссылки

• Дуглас Селф (24 мая 2003 г.). «Почему паротурбинные локомотивы?» . Галерея Локо Локо .