Газотурбовоз - автономный локомотив, на котором в качестве основного (первичного) двигателя использован тепловой - газотурбинный - двигатель.

На всех построенных газотурбовозах устанавливался одновальный газотурбинный двигатель с электрической передачей постоянного тока. На нескольких газотурбовозах применен безвальный генератор газа со свободной тяговой турбиной.

Газотурбовозы серии:

Партия построенных одинаковых газотурбовозов называется серией.

	- Г1-01
	- ГП1
	- ГТ101
	- ГТ1

Краткие сведения о развитии газотурбовозов.

Человек, создав новый, более совершенный двигатель тут же задавался целью поставить его на колеса. Сначала он проделал это с паровым котлом и появился паровоз. Позже колеса получают электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания, и паровозы уступают свое место в поездах электровозам и тепловозам — локомотивам более надежным и мощным.

Не обошел своим вниманием человек и паровую турбину. Привлекали простота конструкции, возможность получить большую мощность, а главное высокая экономичность. Но увы! Паровая турбина, прекрасно работающая в стационарных условиях, становиться на колеса не хотела. Попытки создать паротурбовоз закончились неудачей. Правда, он был построен, но получился очень громоздким, сложным и к тому же менее экономичным, чем паровоз.

Но неудача не заставила человека отказаться от желания поставить турбину на колеса, отказаться от поисков решения этой задачи.

1912 год. Студент Московского высшего технического училища А. Н. Шелест, ставший позже крупным ученым, разработал проект необычного локомотива. Рядом с турбиной автор проекта предлагал поставить двигатель внутреннего сгорания и энергию газов, полученных в его цилиндрах, использовать для вращения турбины. Назван был этот локомотив газотурбовозом. Студент училища как бы заглянул в будущее и подсказал, что именно газовая турбина — тот двигатель, который встанет на колеса. Но пройдут годы, прежде чем она появится на свет — более экономичная, значительно мощнее и меньше по размерам по сравнению с паровой. Первый патент на газотурбовоз с механическим генератором газов и свободной тяговой турбиной был выдан российскому ученому А. Н. Шелесту 16 мая 1922 г. (№ 95277, Швейцария).

Успешное применение газовых турбин на самолетах, а также в судовых и стационарных теплосиловых установках привело к идее создания автономного локомотива, у которого первичным двигателем является газовая турбина.

Газотурбовозы по сравнению с другими автономными локомотивами — тепловозами — имеют ряд технико-экономических преимуществ. Газотурбинная установка может использовать более низкосортное жидкое топливо, чем топливо, необходимое для дизеля. Эта установка не нуждается в водяном охлаждении; вес ее ниже веса дизеля такой же мощности, что позволяет легче получить большую мощность локомотива в одной секции. Расход масла у газовой турбины в несколько раз меньше, чем у дизеля благодаря меньшему количеству подшипников и отсутствию поршней.

По сравнению с дизелем газотурбинная установка локомотива имеет и недостатки: более низкий коэффициент полезного действия из-за ограничения температуры газов перед турбиной по условию жаростойкости материала ее лопаток, а также более резкое увеличение расхода топлива на единицу полезной работы при неполной нагрузке турбины.

Высокие технико-экономические показатели газотурбинной установки в условиях авиационной службы определяются длительностью ее работы с постоянной практически полной нагрузкой и низкой температурой окружающего воздуха (-50°С). На судах газотурбинные установки также длительно работают с полной нагрузкой, а возможность оборудования установки крупногабаритными теплообменниками позволяет иметь достаточно высокий коэффициент полезного действия независимо от температуры окружающего воздуха. Так как локомотивы обычно/ работают с резко переменной нагрузкой при температуре окружающего воздуха, изменяющейся в широких пределах (от -50 до + 40 °С), и так как установить на них достаточно большие теплообменники затруднительно из-за стесненных габаритных размеров и ограничений по весу, то получить от газотурбинной установки газотурбовоза такой же эффект, как на самолетах или судах, практически невозможно. Чтобы повысить коэффициент полезного действия газотурбинной установки, работающей на локомотиве, имеется ряд способов, из которых наиболее эффективным является повышение температуры рабочего тела (смеси воздуха и газов — продуктов сгорания топлива) перед турбиной.

Еще можно использовать двойную тягу путем сцепки газотурбовоза и тепловоза, как это делалось на железной дороге Юнион-Пасифик (США). Повышение температуры рабочего тела требует более дорогих жаропрочных материалов и уменьшает срок службы деталей, подвергающихся воздействию высоких температур. Работа газотурбовоза вместе с тепловозом хотя и позволяет поддерживать более стабильной нагрузку газотурбовоза путем регулирования мощности сцепленных локомотивов в основном только за счет мощности тепловоза, но снижает общую эффективность такого вида тяги из-за необходимости содержания в депо локомотивов двух различных видов.

С повышением окружающей температуры мощность газотурбовоза заметно падает. Одновальные газотурбинные установки, у которых газовая турбина и компрессор расположены на одном валу, не могут развивать вращающий момент при нулевой скорости и требуют электрической или гидравлической передачи к движущим колесным парам, как и на тепловозах. При многовальных установках, у которых тяговая газовая турбина механически не связана с компрессором и приводящей его в движение турбиной, возможно применение чисто механической передачи к движущим колесным парам.

Первые разработки газотурбовозов конструкторскими организациями отечественных локомотивостроительных заводов относятся еще к 1954 г., когда на Коломенском паровозостроительном заводе им. В. В. Куйбышева и Харьковском заводе тяжелого машиностроения началось эскизное проектирование новых локомотивов. В соответствии с техническим заданием МПС, выданным Харьковскому заводу, у проектируемых локомотивов полезная мощность длительного режима на валу турбин должна была составлять 6000 или 2 х 3000 л. с, сила тяги часового режима — 30000—35000 кгс, скорость при этом режиме — 30—40 км/ч, нагрузка от колесной пары на рельсы — 20—22 тс, конструкционная скорость — 90—100 км/ч. Передача предусматривалась электрическая. На заводе под руководством главного конструктора А. А. Кирнарского были сделаны пять эскизных проектов:

газотурбовоза мощностью на валу турбин 2 х 3400 л. с. на тяжелом жидком топливе;

газотурбовоза мощностью на валу турбин 2 х 3250 л. с. с камерным сгоранием угольной пыли;

газотурбовоза мощностью на валу турбин 2 х 3250 п. с. с воздушным котлом для споевого сжигания угля;

газотурбовоза мощностью на валу турбин 2 х 3000 л. с. с безвальным генератором газа (проект выполнен совместно с Московским высшим техническим училищем им. Н. Э. Баумана);

паротурбовоза с высокими начальными параметрами пара, мощностью на муфте генератора 4500 л. с. и слоевым сжиганием твердого топлива.

Научно-технический совет МПС, рассмотревший в мае 1955 г. эти проекты, рекомендовал осуществить разработку технического проекта и изготовление отдельных элементов газотурбовоза в двухсекционном исполнении с газовыми турбинами полезной мощностью 3000—3500 п. с, работающими на жидком топливе (мазуте). Для газотурбовоза было рекомендовано применение силовых установок с открытым циклом без регенерации с минимальным числом ступеней газовой турбины и осевого компрессора. Одновременно было признано необходимым проведение конструкторских и научно-исследовательских работ по созданию газотурбинной установки, работающей на пылеугольном топливе, с безвальным генератором газов и с газификацией угля под давлением.

Проектирование, испытание отдельных узлов и постройка газотурбовозов, работающих на жидком топливе, в дальнейшем проводились двумя тепловозостроительными заводами: Коломенским, построившим газотурбовозы, имевшие установки с открытым циклом, и Луганским, построившим газотурбовоз с безвальным генератором газа.

ВНИИЖТ в 1955—1956 гг. разработал в соответствии со схемой, предложенной проф. Н. И. Белоконем, эскизный проект газотурбовоза с двухступенчатым сжиганием топлива: в первой ступени — воздушном котле с обычной топкой — намечалось сжигать любое промышленное топливо; во второй ступени — камере сгорания, куда должен был поступать нагретый примерно до 580 °С воздух из воздушного котла — низкосортное жидкое топливо с направлением рабочей смеси к газовой турбине. Газотурбовоз должен был иметь осевую формулу 2+2о+2о+2о, полную массу 177 т, сцепную массу в служебном состоянии 132,5 т, мощность на ободьях движущих колес 3000 л. с, конструкционную скорость 100 км/ч и коэффициент полезного действия до 16,4 % зимой и 14,5 % петом. Далее эскизного проекта работы по данному газотурбовозу не продвинулись.

Первый в мире газотурбовоз, мощностью 1618 кВт, был заказан в 1939 г. для швейцарских железных дорог и построен в 1941 г. Его изготовили швейцарские локомотивостроительный завод Винтертур (кузов и экипажная часть) и фирма Броун-Бовери (газотурбинная установка с одновальным двигателем и электрооборудование). Около двух лет газотурбовоз испытывался в Швейцарии, а затем был передан французским железным дорогам. К концу 1950 г. газотурбовоз имел пробег около 280 тыс. км. Полученные при регулярной поездной работе локомотива данные позволили установить зависимость коэффициента полезного действия газотурбовоза от его нагрузки. Так, например, при нагрузке 48,8 % от номинальной к.п.д. составлял 11,1 %.

Наибольшее развитие газотурбовозы получили в США. Первый опытный газотурбовоз мощностью 3300 кВт был построен фирмой «Дженерал электрик» (General Electric) и в конце 1948 г. поступил в опытную эксплуатацию; всего фирмой было построено 24 локомотива. С 1958 по 1961 гг. было выпущено еще 30 газотурбовозов мощностью 6250 кВт.

Опытные образцы и небольшие партии газотурбовозов с одновальными двигателями строились в некоторых странах до 1961 г. включительно, а затем их изготовление прекратилось.

В России первый грузовой газотурбовоз Г1-01 мощностью 2574 кВт с электрической передачей постоянного тока был построен в 1959 г. Газотурбовоз (рис. 5.25) разделен на три отсека: в переднем расположена кабина машиниста и высоковольтная камера; в среднем - газотурбинный двигатель, редуктор, тяговые генераторы постоянного тока, смонтированные на общей раме; в последнем отсеке расположено вспомогательное оборудование газотурбовоза: дизель мощностью 162 кВт с генератором постоянного тока, тормозной компрессор, отопительный водяной котел для подогрева топлива, бак для топлива, необходимого для работы дизеля и пуска газотурбинного двигателя, топливный бак емкостью 9,5 т тяжелого топлива для газотурбинного двигателя. На основе эксплуатационных испытаний на Коломенском тепловозостроительном заводе в 1964 г. были построены два пассажирских газотурбовоза ГШ-0001 (рис. 5.26) мощностью 2574 кВт, на которых были установлены газотурбинный двигатель и электрическая передача, однотипная с передачей грузового газотурбовоза. В 1958 г. заводами «Шкода» (Чехословакия) был создан опытный образец газотурбовоза мощностью 2350 кВт с регенераторным двухвальным газотурбинным двигателем и тяговой турбиной, связанной через двухступенчатый редуктор и карданные валы с колесами локомотива. В 1960 г. был построен второй образец такого газотурбовоза. На Луганском тепловозостроительном заводе в 1960 г. был выпущен газотурбовоз с безвальным генератором газа и свободной тяговой турбиной (число оборотов вала 7000 об/мин), связанной с движущими колесами через гидромеханическую передачу, т. к. характеристики турбины не удовлетворяли требованиям тяги при жесткой связи с движущими колесами. Газотурбовозы, работающие по такому циклу, были построены также во Франции (12280 и 12320 об/мин, завод «Рено») и Швеции (12500 об/мин); технические характеристики приведены в таблице 2. Создание газотурбовозов совпало с началом развития и совершенствования газотурбинных двигателей, когда их экономичность не могла конкурировать с дизелями, внедряемыми на тепловозах, поэтому газотурбинная тяга не получила дальнейшего развития. В 2000 г. встал вопрос о повышении скоростей движения до 240 км/ч на неэлектрифицированных участках ж. д. в США и применении автономных локомотивов с технико-экономическими характеристиками, адекватными характеристикам для скоростных электропоездов и отличными от характеристик тепловозов, работающих на этих участках. Компания Bombardier Transportation создала проект автономного локомотива для неэлектрифицированных линий, достаточно легкого и имеющего высокую удельную мощность для обеспечения движения со скоростями до 240 км/ч и массу около 90 т. На газотурбовозе применен газотурбинный двигатель типа TF-40 компании Allied Signal мощностью 2940 кВт, который устанавливается на кораблях военно-морского флота. Газотурбинный двигатель через высокоскоростной редуктор приводит во вращение два генератора переменного тока. В комплект высоковольтного оборудования войдут два выпрямителя и пять инверторов на IGBT транзисторах. На каждой тележке предусмотрены асинхронные тяговые двигатели мощностью 820 кВт. Создание новых газотурбовозов связано с успехами в развитии газотурбинных двигателей, особенно в части повышения их экономичности. Наиболее эффективно их применение на участках, где требуется повышенная скорость и малая нагрузка на ось.