Неосуществлённые российские проекты тепловозов
Неосуществлённые российские проекты тепловозов — проекты тепловозов, разработанные в России, но которые не были осуществлены.
Проекты тепловозов 1904—1915 г.г[править]
Нефтевоз Владикавказской железной дороги (1904—1913 гг.)[править]
В 1904 году работники Владикавказской железной дороги разработали технический проект локомотива, объединяющего в себе паросиловую установку и двигатель внутреннего сгорания. Первоначально такие локомотивы назывались нефтевозами.
Первым типом нефтевоза был паровоз с дополнительным нефтяным двигателем. В передней части такого локомотива располагалась двухцилиндровая паровая машина, а в задней — двигатель внутреннего сгорания, имеющий два воздушных и два рабочих цилиндра. Воздушные цилиндры располагались внутри рамы и подавали сжатый до 35 атм воздух в рабочие цилиндры, находящиеся снаружи рамы. При поступлении в цилиндры сжатый воздух захватывал нефть, подаваемую специальным насосом, и вдувал её в цилиндры. Нефть сгорала под влиянием высокой температуры сжатого воздуха при постоянном давлении.
В 1906 и 1913 годах изучались вопросы улучшения тепловых процессов нефтевоза, а также различные варианты расположения цилиндров и кинематической связи двигателя с движущими колёсами.
Тепловозы непосредственного действия инженеров Ташкентской железной дороги (1905—1913 г.г.)[править]
По идее авторов проекта, главным валом двигателя тепловоза (как и в паровозе) должна быть одна или несколько осей колёсных пар. В то же время они предлагали изменить отношение чисел оборотов главного вала дизеля, то есть осей и колёс локомотива. В этом случае дизель можно было пустить в ход ещё во время стоянки локомотива, и остановить при вращающихся колёсах. Для заклинивания колёс на осях или расцепления их инженером А. И. Липецом была разработана пневматическая муфта.
Муфта (см.рисунок) состоит из ступицы 1, отлитой вместе с колёсами, корпуса 6, соединённого с нею болтами, и чугунного поршня 7, который может скользить вдоль ступицы и благодаря шпонке 8 вращаться только с ней. Иными словами, ступица, корпус и шпонка должны вращаться вместе с колёсами. Насадка 9 шпонкой 10 жёстко соединяется с осью 11, которая должна приводиться во вращение дизелем. Направляя сжатый воздух через кольцо 4 в полость 5 и сдвигая тем самым поршень 7 влево, можно было заклинить колесо с осью. Подачей воздуха через кольцо 2 в полость 3 производится расцепка их. При такой конструкции наиболее трудно было подвести к вращающимся муфтам сжатый воздух из резервуаров, укрепленных на раме локомотива. Проверка работоспособности такой передачи была произведена на паровозе типа 0-3-0 серии Т с наружными рамами. Муфта, изготовленная Оренбургскими мастерскими, работала неудовлетворительно (вследствие значительной утечки воздуха).
В июле 1914 г. были выданы кредиты на постройку двух опытных тепловозов непосредственного действия, равных по мощности паровозу типа 1-4-0 серии Щ по проекту, разработанному в 1913 г., однако в связи с началом Первой мировой войны проект не был осуществлён. Особенностью проекта, кроме пневматической муфты, являлась брусковая рама специальной формы для установки двух четырёхцилиндровых V — образных дизелей, а также наклонное расположение цилиндров с отбойными валами.
Одновременно с проектированием тепловоза с пневматической муфтой на той же Ташкентской железной дороге разрабатывался проект тепловоза по идее В. А. Штукенберга (начальника Ташкентской дороги, 1910 г.), состоящей в том, что на тендере одного из существующих паровозов устанавливался дизель — компрессор, откуда сжатый до 12 атм воздух поступал в цилиндры паровой машины. При разработке этого проекта встретились большие затруднения, основный из которых было падение температуры воздуха при расширении ниже нуля, что при наличии влаги в воздухе вызывало замораживание цилиндров.
Тепловоз с электрической передачей (1905 г.)[править]
К ранним проектам тепловозов относится проект автономного электровоза, предложенный инженером Н. Г. Кузнецовым и полковником А. И. Одинцовым. Проектом предусматривалась установка на раме локомотива двух вертикальных четырёхцилиндровых двигателей судового типа (мощностью по 180 л.с. каждый), соединённых с генераторами трёхфазного тока, которые вырабатывали ток для питания четырёх тяговых электродвигателей. Рама и кузов локомотива опирались на две двухосные тележки (осевая формула 20 — 20).
Схема предусматривала два поста управления, расположенных по концам локомотива. Авторы намечали в дальнейшем разработать проект аналогичного тепловоза, но с установкой двигателей общей мощностью до 1000 л.с.
О своих проектах авторы 8 декабря 1905 г. сделали сообщение на заседании Русского технического общества в Петербурге, которое одобрительно отнеслось к проектам, однако ни одного тепловоза построено не было.
Тепловоз Коломенского завода (1909 г.)[править]
В 1909—1913 гг. Коломенский завод разработал проект тепловоза с двигателем мощностью 1000 л.с. и электрической передачей. На главной балке, опирающейся на две четырёхосные тележки, размещалась дизель-генераторная группа, состоящая из двух трёхцилиндровых дизелей, приводящих во вращение один тяговый генератор, расположенный между ними.
Током от генератора питались четыре тяговых электродвигателя, установленные на двух средних осях каждой тележки (осевая формула 1 — 20 — 1 + 1 — 20 — 1). Предполагалось, что служебная масса тепловоза будет 116 т, а сцепная — 64 т (нагрузка от движущей оси 16 т и от поддерживающей 13 т). Большая масса тепловоза объяснялась тем, что дизели были взяты слишком тихоходными (частота вращения коленчатого вала 300 об/мин).
Тепловоз Гриневецкого — Ошуркова (1906—1916 гг.)[править]
Большие работы по созданию реверсивного двигателя, удовлетворяющего требованиям железнодорожной службы, были выполнены профессором МВТУ В. И. Гриневецким. В. И. Гриневецкий считал, что:
а) локомотиву необходим двигатель, специально сконструированный для тяги;
б) передачи между двигателем и колёсами принципиально не должно быть;
в) двигатель внутреннего сгорания должен быть наиболее простым и в то же время наиболее экономичным.
В привилегии, заявленной 13 октября 1906 г., Гриневецкий выдвинул ряд принципиальных технических требований к тепловозному двигателю.
По мнению В. И. Гриневецкого, реверсивный тепловой двигатель должен удовлетворять следующим требованиям:
- надёжно работать при разных нагрузках, скоростях хода и направлениях вращения;
- легко пускаться в ход под нагрузкой;
- быть компактным;
- иметь значительную удельную мощность при малых поршневых усилиях и наиболее экономичный рабочий процесс;
- процесс горения должен автоматически регулироваться изменением состава и количества горючей смеси, давления и быстроты сгорания топлива.
Желая по возможности уменьшить поршневые усилия и придать своему двигателю наибольшую компактность, В. И. Гриневецкий осуществил цикл Дизеля в трёх цилиндрах. В начале 1908 г. Путиловский (ныне Кировский) завод разработал рабочие чертежи опытного двигателя Гриневецкого. Этот двигатель был построен в 1909 г. на том же заводе.
В воздушном цилиндре 1 (см. рисунок) происходит предварительное сжатие рабочего воздуха, в цилиндре 2 — последующее сжатие, горение и расширение, которое затем продолжается в расширительном цилиндре 3, откуда продукты горения выталкиваются наружу. Охлаждаемый поршень цилиндра 2 служит в то же время выпускным золотником для цилиндра 3. Цилиндры 1 и 3 имеют шатуны, расположенные почти под прямым углом, что облегчает разгон, совершаемый воздухом. Благодаря такому расположению цилиндров перемена хода достигается почти без перестановки распределительных органов обращением цилиндра 1 в расширительный, а цилиндра 3 — в воздушный.
В 1909—1912 г.г. были произведены испытания двигателя, которые затянулись из-за его некоторых отдельных недостатков, а затем были прекращены по причине отсутствия средств. Испытания показали, что процесс горения в цилиндрах протекает нормально, начиная со 120 об/мин. На основе работ над двигателем своей системы В. И. Гриневецкий при участии инженера Б. М. Ошуркова разработал проект пассажирского тепловоза, эквивалентного по мощности паровозу типа 2-3-0 серии КУ и грузового, эквивалентного паровозу типа 0-5-0 серии Э. Тепловоз совершенно симметричен и с каждой стороны имеет по одному двигателю, главным валом которых служат оси колёсных пар. При этом малый цилиндр 4 (диаметр 280 мм и ход поршня 700 мм) В. И. Гриневецкий расположил внутри рамы, а большие 6 воздушно-расширительные (диаметр 600 мм и ход поршня 700 мм) — снаружи. Для удобства обслуживания и контроля за процессом сгорания малые цилиндры расположены наклонно и выведены в кузов.
Оба тепловоза были спроектированы без передачи и поэтому при нормальной работе они имели бы постоянную силу тяги. Для возможности её изменения Гриневецкий предвидел перегрузку двигателя на 75 % путём изменения среднего индикаторного давления.
Исходя из результатов испытания опытного двигателя, авторы предполагали установку на тепловозе больших воздушных резервуаров 3 объёмом 60 м3. В схеме также были предусмотрены подогреватель 1 для нагревания воздуха перед поступлением его в цилиндр, топливные баки 2 и вспомогательный дизель — компрессор 5 мощностью 250 л.с.
Двигатель Гриневецкого был способен устойчиво работать при переменном числе оборотов и при изменении среднего индикаторного давления в широких пределах, имея при этом достаточно низкий расход топлива.
Такой двигатель предполагалось разместить на раме в виде двух — трёх блоков (по три цилиндра в каждом) в зависимости от намеченной мощности, а по концам двигателя установить гидромуфты и далее постоянный редуктор к карданной передаче на оси передней и задней тележек.
При такой схеме расположения двигателя отпадают:
- громоздкое устройство для получения сжатого воздуха, который потребуется только для пуска двигателя;
- тяговая передача, так как необходимые тяговые режимы будут выполняться двигателем, а трогание с места и разгон — двигателем и гидромуфтой;
- дышловый привод, коленчатые оси и др.
Тепловоз Лонткевича[править]
В 1915 г. инженером Е. Е. Лонткевичем был предложен проект тепловоза, по которому между главным двигателем и движущими осями предусматривалась установка механической коробки передач с тремя передаточными числами. Реверсирование должно было осуществляться включением дополнительных зубчатых колёс или изменением направления вращения вала двигателя. Для сцепления отдельных зубчатых передач имелось в виду применить фрикционные муфты, которые легко и быстро могли бы включаться и выключаться. В первой компоновке тепловоза Лонткевич предусматривал дополнительную передачу, специально предназначенную для тихого хода и маневрирования с двойным преобразованием энергии (в частном случае электрическую передачу). Однако в последующем автор отказался от применения вспомогательного двигателя и электропередачи, а предложил специальные скользящие сцепления.
На тепловозе предполагалось установить двухтактный дизель 1 простого действия (диаметр цилиндров 400 мм и ход поршня 550 мм), коробку передач 2 с тремя ступенями, на которых касательная сила тяги составляет 8000, 5550 и 4500 кГ при скоростях соответственно 56, 80 и 100 км/ч; холодильник 3 для воды и масла, компрессор 4, топливные баки 5 и пусковые баллоны 6. Согласно расчётам автора, тепловоз должен развивать на ободе колёс мощность до 1630 л.с., а на валу двигателя — 1870 л.с. (при к.п.д. 16 — 20 %).
Слабым местом такого тепловоза была передача. Сочетание зубчатой передачи с шатунным механизмом при резко переменном крутящем моменте могло бы быть источником грохота в передаче и ударов в спарнике.
Тепловоз с механическим генератором газа[править]
В 1912 — 13 гг. в МВТУ студент А. Н. Шелест под руководством профессора В. И. Гриневецкого разработал оригинальный дипломный проект тепловоза.
В 1912 г. А. Н. Шелест предложил новый принцип работы тепловых двигателей, применив механический генератор сжатых газов. Придерживаясь схемы тепловоза В. А. Штукенберга, А. Н. Шелест в отличие от него предлагал применить в цилиндрах паровозного типа не воздух, а продукты горения с впрыскиванием в них воды для понижения температуры.
По мысли автора, тепловоз должен был иметь два двигателя: первичный (генератор газа), как бы заменяющий собой паровозный котёл, и вторичный — поршневую машину (по типу паровозной), работающую этим газом. Между этими двумя двигателями не должно быть никакой кинематической связи.
Тепловоз системы Шелеста должен был работать следующим образом.
Воздух, сжатый в зарядном компрессоре 1 до 3 — 4 атм, поступает в воздушный ресивер 2 и затем (в период впуска) через впускной клапан в цилиндр 3 сгорания, заполняя весь его полезный объём ka (см. график). В нижней мёртвой точке хода поршня цилиндр сгорания разобщается от воздушного ресивера и воздух при ходе поршня вверх сжимается по линии ab до 60 атм. Около верхней мёртвой точки впрыскивается нефть, которая сгорает по линии bc, а с точки c начинается расширение газов по линии cd. Около точки d в цилиндр впрыскивается вода с воздухом для охлаждения газов. В точке е открывается выпускной клапан и при ходе поршня по линии ef газы при давлении 9 атм и температуре 380—400 °C выталкиваются в специальный газовый ресивер 4. В точке f выпускной клапан закрывается, а оставшиеся газы с ходом поршня вниз расширяются по линии fk до точки k, где вновь открывается впускной клапан, воздух из воздушного ресивера вновь впускается в цилиндр сгорания и цикл повторяется. Из заряженного таким образом газового ресивера горячие газы поступают в поршневую тяговую машину 5.
Особый регулятор регулирует совместную работу машины 5, газового ресивера 4 и генератора газов. Число оборотов вторичного двигателя, непосредственно связанного с движущими колёсами, определяется скоростью тепловоза, а его мощность и сила тяги, как и в паровозе — давлением впуска и степенью наполнения цилиндров, причём сила тяги может возрастать при уменьшении скорости.
Проекты тепловозов 1925—1945 г.г[править]
Проект тепловоза И. Ф. Ядова (1925 г.)[править]
Тепловоз состоит из трёх основных групп. Первую группу образует шестицилиндровая паровоздушная компрессорная установка 1 мощностью 900—1000 л.с., приводимая в действие двигателями 4 внутреннего сгорания с двухступенчатыми поршнями 3 и не связанная кинематически с осями локомотива. Воздух, сжатый в компрессорах 1,6 атм, через нагнетательные клапаны и продувочные отверстия поступает в цилиндр двигателя 4 в конце хода поршня 3 вниз. Продукты горения из цилиндра 2 уходят в выпускную трубу 5 и через паровой котёл 7 в атмосферу, отдав часть своей теплоты воде. В полости 2 пар смешивается с воздухом. Смесь сжимается до 8 атм и поступает в ресивер 6.
Вторую группу составляют двухцилиндровый двухтактный двигатель 9 внутреннего сгорания высокого давления одностороннего действия и двигатель 10 низкого давления паровозного типа. Продувочный воздух в смеси с паром из полости 2 поступает в цилиндры двигателя 9, который через штоки 11, ползуны 12 и шатуны 13 приводит в движение коленчатые оси 14. Два цилиндра двигателей 10 низкого давления, работающие охлаждёнными отработавшими газами от двигателя 9, расположены снаружи рамы и также приводят в движение коленчатую ось 14.
Третья группа состоит из парового котла 8, используемого для охлаждения отработавших продуктов горения двигателей высокого давления, котла 7, воспринимающего тепло отработавших газов двигателя 4, и ресивера 6.
Тепловоз И. Ф. Ядова работает следующим образом. Прежде всего воздухом из запасного резервуара (или паром из котла 7) запускается вхолостую двигатель первой группы. Затем тепловоз приводится в движение цилиндрами 10, в которых работает смесь сжатого воздуха и пара. Как только скорость достигнет 10 — 15 км/ч, соответствующие клапаны перекрываются и паровоздушная смесь под давлением 5-8 атм поступает в цилиндры двигателя 9. Здесь смесь сжимается до 40 атм, после чего подаётся топливо под давлением 80 — 200 атм. Отработавшие газы поступают в котёл 8 и, проходя по дымогарным трубам, отдают тепло воде. Паром этого котла можно было в любое время привести в действие двигатели первой группы. Также его предполагалось добавлять к сжатому воздуху при работе тепловоза на манёврах и при трогании с места, чтобы температура воздуха в конце расширения не упала ниже нуля.
Цилиндры двигателя 10 увеличивают мощность двигателя непосредственного действия почти в два раза, в результате его масса на 1 л.с. уменьшается, что и является оригинальной особенностью тепловоза системы Ядова.
И. Ф. Ядов считал, что его тепловоз будет иметь к.п.д. около 35 % и сможет перемещать поезда с высокой скоростью, стоимость тепловоза благодаря меньшей массе, приходящейся на 1 л.с., не привысит стоимости паровоза.
См. также[править]
Литература[править]
- В. А. Раков. Локомотивы отечественных железных дорог, 1956—1975. — Москва: Транспорт, 1999. — 444 с. — ISBN 5-277-02012-8.