Паровоз XXI века
Давно искал эту статью (в детстве, к сожалению, изничтожил небольшой архив "Техники молодежи"). Стиль написания, конечно, в лучших традициях советского технократического романтизма :-), да и автор ярый приверженец паровой тяги, но идея все же интересная.
ПАРОВОЗ XXI ВЕКА?
«Ах, какая чудная картина, когда по рельсам мчится паровоз!» Сейчас и песню эту мало кто помнит, и саму «чудную картину». А ведь было! Окутываясь клубами дыма, солидно покрикивая на переездах, паровозы везли по магистралям тяжелые составы.
В эпоху своего расцвета паровозы не без оснований считались шедеврами передовой инженерной мысли. Однако, пройдя более чем вековой путь развития, они уступили дорогу локомотивам с электрической тягой и тепловозам. 30 лет назад производство паровиков было прекращено, и вскоре они исчезли так же, как динозавры или мамонты. О былом величии паровой тяги свидетельствуют только отдельные музейные экземпляры.
Чем же они оказались плохи?
Критикуя какую-либо машину, обычно подчеркивают, что у нее КПД, как у паровоза. А какой он был? В монографии «Паровозы» (1949 г.) под редакцией академика С. П. Сыромятникова приведено значение 8,2%, достигнутое в опытном локомотиве Коломенского паровозостроительного завода.
У серийных паровозов КПД не превышал 7,8%. Это значит, что меньше десятой части энергии сгоревшего угля шло на полезную работу, остальная, в прямом и переносном смысле, вылетает в трубу. Хватает у паровоза и недостатков, связанных с эксплуатацией. Вспомним хотя бы тяжелейшую процедуру удаления накипи из котла. Тот, кто мучился, очищая вручную свой чайник, поймет, чего это стоило. И все же интерес к этим динозаврам технической эволюции пробудился вновь.
Какие же, ранее неведомые достоинства обнаружили у них специалисты? Может быть, мы и вправду скоро увидим мчащиеся по рельсам паровозы? Попробуем разобраться.
Достоинством обернулось то, что раньше считалось недостатком, - топление углем. О паровозе в Харьковском политехническом вспомнили как раз потому, что он работает на угле. В уникальном Канско-Ачинском бассейне наиболее дешевым, открытым способом можно добывать очень много этого топлива, но оно обладает довольно низкой теплотворной способностью, и его дальнейшая транспортировка к месту потребления нерентабельна. Вот тут-то, возможно, и окажется целесообразным применение паровозов. Расходуя местный низкосортный уголь, они могут повысить Эффективность транссибирских перевозок. В топке паровоза прекрасно сгорают и такие угли. Более того, при сжигании угольной пыли полнота сгорания топлива увеличивается почти до 95%. Одно это позволяет значительно уменьшить тепловые потери котла. За прошедшие годы этот способ усовершенствовали для электростанций. Его применение вполне возможно и на паровозе.
Итак, в пылеугольной топке энергия топлива почти полностью перешла в тепловую. Теперь ее надо «перекачать» в пар. Как это сделать наиболее эффективно? И опять ничего изобретать не надо, поскольку на тех же электростанциях прекрасно работают водотрубные котлы. Их конструкция рассчитана на высокое давление - это тоже вклад в повышение общего КПД паровоза. Перегрев пара, водо- и воздухоподогрев увеличивают КПД примерно на треть. Есть резервы и у самой паровой машины. Увеличить срок между чистками котла от накипи можно магнитной обработкой воды.
Как видите, резервы у обновленного паровоза есть. Именно их использовали сотрудники и студенты Харьковского политехнического института, разрабатывая новые паровые локомотивы. Проекты убедительно доказали, что возможно создание паровозов с КПД вдвое, а то и в трое большим, чем в прошлом.
Не вызывает сомнений, что современное состояние промышленности позволяет создать практически любой локомотив, например по одному из проектов ХПИ. Но от опытной машины до ее серийного производства путь не скор и не близок. А главное - он должен быть оправдан.
Теперь слово за экономикой. Паровоз, конечно, не альтернатива другим типам локомотивов. Но, кто знает, может быть, и ему найдется работа на железных дорогах XXI века.
КАКИМ ОН МОЖЕТ БЫТЬ?
Спроектированный в ХПИ паровоз трехсекционный. В нем 4 четырехосных экипажа, а на крайних секциях еще по двухосной бегунковой тележке. Поэтому осевая формула выгладит довольно замысловато: 2-4-0+(0-4-0+0-4-0)+0-4-2 (в скобках часть формулы, относящаяся к средней секции). Ее симметрия иллюстрирует одинаковую приспособленность локомотива к движению передним и задним ходом.
В бункере тендера 60 т специально приготовленной угольной пыли. Через 12 створок, каждая из которых имеет индивидуальный привод, он попадает в шнековый транспортер. Чтобы уголь не смерзался и не примерзал к стенкам, по всей наружной поверхности бункера расположены радиаторы обогрева. В морозы вентилятор будет закачивать туда отработанный горячий газ. Управлять подачей топлива - выбором степени и продолжительности открытия створок бункера, подбором скорости вращения шнека - будет, естественно, автоматика. Через форсунки топливо распыляется в факельной камере. Воздух для этого нагнетает центробежный вентилятор. Он прогоняет поток по специальным коробам, огибающим паровой котел. Нагретый воздух под давлением 0,3 атм и вдувает уголь. Горящая с температурой около 1500оС смесь отдает тепло трубкам водотрубного котла, затем пароперегревателя, и наконец, водоподогревателя. Остывшие до 200оС газы, очистив предварительно от золы, выбрасывают через дымовую трубу в атмосферу. Для очистки в поток газа впрыскивают воду. Водой же смывают и задержанную золу, которая накапливается в шлакосборном бункере. По предварительным оценкам, можно уловить до 95% пылеобразных шлаков, как раз и образовывавших традиционный дым. Так называемое мокрое шлакоудаление обеспечивает долговечность топки. Но самое главное - делает паровоз экологически чище.
В котле вода, нагреваясь, поднимается по трубкам, превращается в пар. Под давлением 32 атм он через 16 комплектов электроуправляемых клапанов подается в паровые машины. Когда машинист открывает регулятор, он направляет пар либо в 1, либо в 2, 3,…и, наконец, во все 8 блоков цилиндров. Таим образом, у локомотива 8 ступеней регулирования тяги. Так называемый мятый пар из машины идет в верхнюю часть пароконденсатора, где его принудительно охлаждают атмосферным воздухом. Из водосборника регенерированную воду через подогреватель закачивают в нижнюю часть котла.
Электроэнергией локомотив снабжают 2 генератора постоянного тока, один работает от паровой турбины, другой - только во время движения от бегунковой тележки пароконденсаторной секции. По расчетам, мощность его машин 8000 л. с., а КПД можно довести до 20-21%. Кроме того, за счет большого сцепного веса локомотив развивает тягу 65 тыс. кг.
ЧТО ДЕЛАЕТСЯ ЗА РУБЕЖОМ?
ПАРАМЕТРЫ ЛОКОМОТИВОВ С УГОЛЬНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ
Наименование параметра
ХПИ
Проект
ACE 3000
(США)
Длина по сцепкам, м
66
34
Мощность максимальная, л. с.
8000
3000
Высота, м
4,3
4,3
Вес снаряженный, т
420
порожний, т
360
Количество движущих колесных пар
12
4
Нагрузка на движущую колесную пару, т
23
27
Котел: тип
водотрубный
огнетрубный
давление, атм
32
17
температура перегретого пара, оС
500
430
Машина: тип
однотактная
компаунд
количество ступеней расширения пара
1
2
Запас топлива, т
60
33
Паровозы проектируют и американские специалисты. Их на это побудил топливный кризис 70-х годов. Сейчас проходит испытания локомотив ACE 3000. Он оснащен огнетрубным котлом, пароперегревателем, водо- и воздухоподогревателями. Давление котлового пара достигает 17 атм, а температура перегретого пара 430оС. По этим показателям паровик мало отличается от своих предшественников тридцатилетней давности. И все же на испытаниях его КПД был около 18%.
Наиболее интересная новинка локомотива - топка, созданная аргентинцем Д. Порта. Процесс горения в ней протекает в две стадии. Сначала идет неполное сжигание угля, при этом образуется горючий газ с достаточно высокой температурой. Эта часть топки по принципу действия напоминает газогенератор. Тепло, выделенное при неполном сгорании угля, обогревает котел. Затем горючий газ очищают, пропуская сквозь распыленную воду, и смешивают с воздухом. Рабочая смесь сгорает в газовых каналах огнетрубного котла. Небольшая паровая турбина отсасывает продукты сгорания, прогоняет их сквозь многозвенный сепаратор (циклон), очищая от остатков золы. Так что вместо черного облака над локомотивом вьется лишь легкая дымка.
Замкнутая система циркуляции воды и пара позволяет эксплуатировать локомотив без промывки котла целый год. Напомним, что старые паровозы требовали этой довольно сложной операции каждые 40-60 суток.
В ACE 3000 есть и новинка в духе времени - это бортовой компьютер. Паровозная ЭВМ по своим задачам сродни автопилоту на самолете. Она тоже может управлять локомотивом, правда только после разгона поезда. Компьютер контролирует процесс горения топлива, следит за сцеплением колес с рельсами, выполняет другие функции, причем не только на самом паровозе, но и, например, на тепловозах, работающих вместе с ACE 3000 двойной тягой. Естественно, что тепловозы в этом случае должны быть оснащены аналогичными компьютерами.
Интересно, что, исследуя около 30 первичных двигателей и их модификаций для локомотивов, американские специалисты расположили их в зависимости от расходов на годовую эксплуатацию. Паровая машина в этом списке оказалась третьей, несколько уступив в рентабельности газовой турбине и двигателю Стирлинга. Дизель, кстати, был только 14-м. Правда, эта классификация очень зависит от цены на нефть, которая сильно колеблется, но все же показательна.
Специалисты считают, что пока паровоз требует более глубокой проработки. Только поездная работа опытного образца, а лучше нескольких машин, в реальных условиях на одной из крупнейших железных дорог раскроет все положительные и отрицательные свойства паровика нового поколения.
Олег КУРИХИН, кандидат технических наук
Журнал «Техника молодежи», 01-1987 г. (орфография и синтаксис сохранены)