Г1-01: недостатки одновальной газотурбинной установки(сложно-технический пост).⁠⁠

Г1 (Газотурбовоз, модель 1-я) — первый советский газотурбовоз, построенный Коломенским тепловозостроительным заводом в 1959 году в единственном экземпляре (Г1-01).

На Коломенском паровозостроительном заводе им. В. В. Куйбышева проводилось начатое в 1954 г. эскизное проектирование односекционного восьмиосного газотурбовоза с полезной мощностью газовой турбины 4500 л.с.

Однако во второй половине 1955 г. эта работа была прекращена, и началось проектирование двухсекционного газотурбовоза с газотурбинными установками мощностью по 3500 л.с.

К концу года был закончен технический проект, а в середине 1956 г. началось изготовление газотурбинной установки, которая была готова в декабре 1957 г.

Эта установка (ГТУ № 1) имела подшипники скольжения.

В ноябре 1958 г. началось испытание второй газотурбинной установки (ГТУ № 2), которая была разработана с учетом опыта работы первой установки и, в частности, имела подшипники качения.

После получения изготовленных харьковским заводом «Электротяжмаш» генераторов эта установка с июля 1959 г. испытывалась под нагрузкой. Испытания выявили ряд недостатков установки, и её конструкция вновь подверглась переработке; появилась ГТУ № 3.

В конце 1959 г. завод построил одну секцию грузового газотурбовоза Г1-01.

На газотурбовозе была применена одновальная газотурбинная установка ГТ-3,5 с открытым циклом без регенерации мощностью 3500 л. с.

Она состояла из 12-ти ступенчатого компрессора, шести прямоточных камер сгорания и 4-х ступенчатой турбины.

Атмосферный воздух сжимался в компрессоре до давления 5,5 — 6 атм. и поступал в камеру сгорания.

При сгорании топлива воздух нагревался до температуры 727 °С, и рабочая смесь поступала в газовую турбину.

Примерно 2/3 мощности турбины затрачивалось на вращение компрессора, остальная часть шла на вращение трёх тяговых генераторов постоянного тока.

1 — холодильник; 2 — компрессор; 3 — камеры сгорания; 4 — турбина; 5 — редуктор; 6 — главные генераторы; 7 — вспомогательный генератор; 8 — возбудитель; 9 — высоковольтная камера; 10 — тормозной компрессор; 11 — маневровый генератор; 12 — вспомогательный дизель; 13 — бак дизельного топлива; 14— котел-подогреватель; 15 — бак тяжелого топлива

Газотурбинная установка с редуктором, генераторами и элементами вспомогательного оборудования была смонтирована на отдельной раме, размещенной в средней части кузова. Каждый тяговый генератор питал два параллельно включенных тяговых электродвигателя ЭДТ-340 мощностью по 340 кВт.

Источником электроэнергии при одиночном следовании локомотива служила вспомогательная силовая установка, состоявшая из 6-цилиндрового дизеля 1Д6 мощностью 150 л.с. и двухмашинного агрегата.

Весьма важно, особенно для работы на железнодорожном транспорте, что в камере сгорания возможно сжигание низкосортного жидкого топлива (моторные топлива, дистилляты, облегченные мазуты, сырая нефть и т. д.).

Одним из основных условий для сжигания того или иного сорта топлива, как известно, является время, которое отводится в процессе работы двигателя на воспламенение и сгорание топлива.

В ГТД в отличие от поршневых сгорание топлива отделено от процессов сжатия и расширения рабочего тела, происходит в камерах сгорания непрерывно и не зависит от скорости вращения турбины.

Поэтому в быстроходном ГТД время, в течение которого жидкое топливо сгорает в камере, примерно в 20 раз больше, чем, например, в цилиндре дизеля тепловоза.

В связи с высокой вязкостью тяжелых жидких топлив для хорошего распыливания форсунками топливо приходится подогревать до 80—120°C.

Но даже и в этих условиях пуск двигателя оказывается трудным.

Поэтому в начале запуска используют более легкое дизельное топливо и зажигают его от электрической свечи; в последующем распыленное основное топливо подается непосредственно в горящий факел.

Камеры сгорания работают очень напряженно — теплосъем с единицы объема камеры примерно в 10—20 раз выше, чем в топке парового котла.

Температура стенок жаровой трубы достигает 800—900°C, и поэтому жаровая труба, хотя и изготовляется из жароупорной, химически стойкой стали, является наиболее часто сменяемым (2000—3000 ч.) элементом ГТД.

Возможности однокорпусного компрессора с дозвуковыми скоростями течения воздуха в проточной части ограничены.

Для того чтобы сжимать воздух до 12—15 кГ/см2, нужно либо переходить к сверхзвуковым компрессорам с очень сложной организацией рабочего процесса, как это делают в авиации, либо к двухкомпрессорным схемам.

Последний случай наиболее приемлем для наземных транспортных двигателей, работающих при резко переменных нагрузках.

Вместе с тем переход к двухкомпрессорным схемам не есть простое разделение одного компрессора на два.

Есть необходимость разделения валов компрессора, каждый из которых в качестве привода должен иметь собственную газовую турбину.

Возникает двухвальный двигатель (рис. 25), состоящий из двух турбокомпрессоров: низкого и высокого давления. Воздух последовательно сжимается в компрессоре низкого и высокого давления, нагревается в камере сгорания, а затем расширяется в турбинах.

Свободная мощность в принципе может сниматься с любого вала турбокомпрессоров.

В одновальном ГТД при неподвижной турбине неподвижен и компрессор.

Следовательно, в этих условиях совершенно отсутствует сжатый и нагретый воздух, и турбина не может развивать ни мощности, ни момента.

В тяговом отношении одновальный двигатель имеет даже худшие характеристики, чем дизель. Он не может работать в жесткой связи, например, с колесами локомотива или другого транспортного средства.

Разделим газовую турбину одновального двигателя на две — компрессорную, жестко связанную валом с компрессором, и свободную тяговую турбину, сидящую на отдельном валу (рис. 26).

Турбокомпрессор превращается в генератор газа, не связанный валом с тяговой турбиной.

В полученном таким образом двухвальном двигателе тяговая турбина уже может быть жестко связана с потребителем мощности, например, с колесами локомотива.

Когда локомотив стоит и тяговая турбина неподвижна, турбокомпрессор может развивать обороты вплоть до реализации полной мощности и максимального вращающего момента на венце тяговой турбины, необходимого для трогания состава с места.

По мере увеличения числа оборотов тяговой турбины (независимо от числа оборотов турбокомпрессора) тяговое усилие будет снижаться.

В простейшем одновальном двигателе воздух в процессе сжатия в компрессоре нагревается до 200—250°C.

В то же время газы, покидающие турбину, имеют достаточно высокую температуру (400—450°C).

Совершенно естественно, что в этих условиях часть тепла газов можно полезно использовать или, как говорят, регенерировать, отдав его воздуху, покидающему компрессор и идущему в камеру сгорания.

Для этого нужно между компрессором и камерой поставить теплообменник (рис. 27), в котором теплопередающую поверхность с одной стороны омывали бы газы, а с другой — сжатый воздух.

В двигателе, состоящем из двух турбокомпрессоров (см. рис. 25), можно осуществить и еще одно теплотехническое мероприятие — дополнительный подвод тепла в процессе расширения.

Для этого нужно между турбинами высокого и низкого давления поставить вторую камеру сгорания (рис. 31).

Обычно во второй камере газы нагреваются до той же температуры, что и в первой.

Следует отметить, что возможность сжигания топлива во второй камере определяется тем, что в подходящем к ней воздухе содержится мало продуктов сгорания топлива, сожженного в первой камере, т. е. кислорода оказывается достаточно для полного сжигания топлива.

Дополнительный подогрев рабочего тела заметно повышает к. п. д. двигателя и величину удельной работы.

1 — компрессор низкого давления; 2 — компрессор высокого давления; 3 — камера сгорания высокого давления; 4 — газовая турбина высокого давления; 5 — камера сгорания низкого давления; 6 — газовая турбина низкого давления

На рис. 34 показана схема трехвального двигателя с регенерацией тепла, промежуточным охлаждением воздуха, дополнительным подводом тепла и со свободной тяговой турбиной среднего давления (тяговая турбина может быть и низкого давления).

При кажущейся сложности такой двигатель весьма компактен и может быть с успехом размещен в кузове локомотива. Отмеченное выше повышение удельной работы приводит к таким интересным результатам: если в простейшем одновальном двигателе мощностью 3 000 л. с. необходимо, чтобы в цикле участвовало 21—22 кг/сек воздуха, то в двигателе рассматриваемой сложной схемы мощностью 6 000 л. с., т. е. вдвое большей, расход воздуха равен только 18—19 кг/сек.

1 — компрессор низкого давления; 2 — холодильник; 3 — компрессор высокого давления; 4 — регенератор; 5 — камера сгорания высокого давления; 6 — газовая турбина высокого давления; 7 — камера сгорания среднего давления: 8 — тяговая газовая турбина среднего давления: 9 — газовая турбина низкого давления

Но, пожалуй, самым важным является то, что рассматриваемый трехвальный двигатель решает одну из самых сложных и важных проблем применения газотурбинных двигателей на локомотивах — проблему экономичности двигателя на переменном режиме работы. Одновальный ГТД имеет совершенно неудовлетворительные показатели в этом отношении — его к. п. д. на частичных нагрузках резко падает , что приводит к низкому эксплуатационному к. п. д. локомотива.

Трехвальный двигатель с теплотехническими мероприятиями позволяет не только получить более высокий к. п. д. на расчетной мощности, но и удерживать его до 50—60% нагрузки.

Создание первых газотурбинных локомотивов относится к ранним послевоенным годам, т. е. к начальной стадии развития газотурбостроения вообще.

Поэтому естественно, что почти на всех газотурбовозах использован простейший одновальный ГТД.

Хотя,в 1957—1959 гг. завод им В. И. Ленина в ЧССР построил два опытных газотурбовоза мощностью 3 200 л. с.

Силовые установки локомотивов состояли из двухвальных регенеративных ГТД и механической передачи.

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — компрессорная турбина; 4 — тяговая турбина; 5 — сцепление; 6 — главный редуктор и реверс-редуктор; 7 — карданный вал; 8 — осевой редуктор; 9 — ведущая колесная пара

Газотурбовоз ГТ1 (2007)(позднее ГТ1h) — российский опытный газотурбовоз (тепловоз с газотурбинным двигателем). На нём используется электрическая передача: газотурбинный двигатель, работающий на сжиженном природном газе, соединён с генератором переменного тока, а вырабатываемый последним ток выпрямляется и подаётся на тяговые электродвигатели, которые и приводят локомотив в движение.

НК-361, входящий в силовой блок ГТЭ-8,3/НК, выполнен по двухвальной схеме со свободной силовой турбиной.

Толковой схемы ГТД  ГТ1 в интернете не нашёл,поэтому верю журналистам.

Почему не трёхвальная сказать не могу,если есть специалисты,подскажите.

Полная максимальная мощность ГТЭ составляет 8300 кВт при к.п.д. 30 %.

ГТД приводит в действие тяговый электрогенератор мощностью 7370 кВт и вспомогательный генератор мощностью 600 кВт.

2012 год — ГТ1-001 модернизирован с заменой дизельной силовой установки собственных нужд на тяговую аккумуляторную батарею (для маневровых передвижений с заглушенным ГТД), получив индекс "h" (hybrid — гибрид).

Я не специалист в области ГТД, позитивной критике буду только рад.)

Источник.