Теплопаровозный тупик. Часть 4

Рубрика: ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ТРАНСПОРТ
2303

Сначала, при расхождении поршней, объем между ними заполняется продувочным воздухом, который при последующем схождении поршней начинает сжиматься и нагреваться. При подходе к мертвой точке в среднюю камеру подается топливо, которое воспламеняется и создает давление в цилиндре. Повышенное давление заставляет поршни вновь расходиться, и когда в цилиндре внутренне давление выравнивается с давлением пара, происходит дозированный впуск последнего в эту же полость. Смешиваясь с газами, пар перегревается до 600–700 0С и, воздействуя совместно с газами на поршни, доводит их до крайних мертвых точек, после чего происходит выпуск такой смеси газов. По мере снижения нагрузки, например, при переходе локомотива на более легкий профиль пути, возможен полный переход на дизтопливо.

 

 Окончание. Начало см. в №№ 9, 10, 11 2021 г. «Науки и Техники»)

 

 

 

 Предполагалось, что мощность нового локомотива должна возрасти до 3 200 л. с., превысить мощность «Сталинца» и сравняться с самым мощным в СССР паровозом ИС.

 

В результате всех этих нововведений «8001» стал заметно отличаться от своего предшественника (табл. 2).

 

Тендер новому теплопаровозу достался от предшественника тоже с изменениями (табл. 3).

 

В сентябре 1948 г., когда на «Сталинце» прекратили всякие работы, теплопаровоз «8001» вышел из ворот сборочного цеха Луганского паровозостроительного завода.

 

При взвешивании локомотива оказалось, что он еще более превысил предусмотренный разработчиками вес. Общий вес теплопаровоза составил 148 т, нагрузка на рельсы от оси составила 21,15 т. «Сталинец» давил каждой осью по 22 т. Разница «убийственная». Ну и за что боролись?

 

Конечно, в таких случаях, как вариант, применяется добавление одной поддерживающей бегунковой оси, что снизило бы нагрузку на каждую ось до 18,5 т. Но, во-первых, под нее не оставалось свободного места, во-вторых, все равно требуемая нагрузка в 18 т была бы недостижимой, и в-третьих, подобное уже было с ФД — в годы войны Улан-Удэнский завод экспериментировал таким же образом с ФД, доустанавливая под паровоз еще одну дополнительную бегунковую ось, после чего ФД стал пробуксовывать. Поэтому луганчане решили оставить все как есть и обкатать «8001».

 

Испытания и доводочные работы на заводе длились год. Но новый локомотив повторял болезни своего предшественника — до скорости 30 км/ч двигатель работал неустойчиво. Теплопаровоз выдавал сильные рывки и толчки, а скачкообразные нагрузки на движущий механизм оказывались недопустимо большими. Осуществить стабильный парогазовый цикл добавлением пара в дизельную полость цилиндра так и не удалось, а отказ от него снизил бы проектную мощность и сделал бы из «8001» опять пассажирский «Сталинец».

 

В конце концов из этих всех испытаний «8000» и «8001» луганчане сделали общий вывод — из-за степени сжатия дизеля, превышающей более чем в два раза оптимальную степень сжатия паровой машины, создать серийный теплопаровоз невозможно. Паровоз выигрывал буквально во всем, ну, разве что кроме КПД. И второй вывод — дальнейшее увеличения мощности паровозов и теплопаровозов подошло к тому количественному пределу, за которым требуются гигантские размеры таких локомотивов.

 

«8001» так и не смог переступить через заводские испытания и остался в памяти луганских паровозостроителей как мощная стартовая площадка для других благих начинаний, например, для ОР23-01. А «8001» в конце концов списали и в 1960-е гг. сдали на металлолом. А мог бы стать эксклюзивным музейным экспонатом Луганска!

 

В год завершения всех работ по теплопаровозам из ворот луганского завода вышла следующая диковина. Его назвали ОР-23-01, по имени завода имени Октябрьской Революции. Но далее следует вспомнить о коломенских мытарствах.

 

ПРОБЛЕМЫ ПО КРУГУ

 

В июле 1939 г. коломенцы приступили к проектированию нового грузового локомотива, в котором увеличение мощности планировалось достичь за счет установленных друг с другом вдоль рамы двух цилиндров — всего четыре цилиндра вместо классически двух. Еще в 1872 г. английские паровозы с четырьмя цилиндрами были закуплены Россией, а в 1884 г. коломенский завод выпустил свой паровоз «заводской тип 29» такой же конструкции. Несколько позже паровозы с четырьмя цилиндрами строил и Брянский завод. Так что отечественный опыт постройки подобных локомотивов имелся.

 

Ведущими конструкторами по разработке нового грузового теплопаровоза стали инженеры Л. С. Лебедянский, М. Н. Щукин и А И. Козякин. Как и луганчане, ускорить процесс создания теплопаровоза они решили путем заимствования максимального количества деталей из серийных паровозов Су, ФД, ИС и СО.

 

Свое детище коломенцы назвали более понятно — «ТП1-1». Естественно, в нем тоже планировалось реализовать идеи Майзеля, но при этом использовать только один вид топлива — уголь, что давало свое преимущество. В этом случае коломенский локомотив сохранял зависимость «только лишь» от воды, смазки, песка и угля. Луганские же теплопаровозы сверх того требовали еще и дизтопливо.

 

Кстати, современные тепловозы заправляются не хуже — дизтопливом (двигатель), водой (система охлаждения двигателя), смазкой (системы двигателя, приводов и ходовой), песком (увеличение сцепления с рельсами при наборе скорости, торможении и на крутых спусках-подъемах). Вот и думай, что лучше.

 

В ТП1-1 топливо (и в данном случае это газ) для дизельной машины планировалось получать из угля прямо в тендере. Идея на тот момент была сравнительно нова. Впрочем, не забыта она и сейчас. Однако рентабелен такой способ получения газа только при отсутствии поблизости газовых скважин или нефтегазопроводов.

 

Итак, газификация угля — это облагораживание низкокалорийного угля с целью получения высококалорийных газов различного назначения, и интерес к этому возник еще при В. И. Ленине. Для газификации пригодны все виды твердого топлива, в том числе бурые и каменные угли, запасы которых в СССР оценивались на то время в сотни миллиардов тонн. Только в середине прошлого века в Советском Союзе работало более 340 газогенераторных станций, дававших 15 млрд м3 различных типов газов в год.

 

Принцип работы теплопаровозного газогенератора состоит в химической реакции водяных паров (из котла локомотива с температурой ≈ 400 0С) и мелкоизмельченного угля:

 

Н2О + С — Н2 + СО.

 

В реальности из угля всегда освобождается достаточно большой набор смеси легко воспламеняющихся газов. Они как раз и служат вторым топливом для теплопаровоза ТП1-1.

 

С подобным явлением газификации угля невольно может встретиться каждый пассажир поезда. Иногда проводник как заправит зимой свой вагон низкосортным углем, зажжет «титан», так невозможно долго находиться в тамбуре вагона, и это как раз тот едучий угольный газ. Такое бывает редко с пассажирскими вагонами, но автор статьи однажды попал в подобную ситуацию в поезде дальнего следования, в тамбуре находиться было невозможно, резь в горле, в глазах, дышать нечем.

 

Коломенские паровозостроители первыми в мире предложили подобный способ обеспечения локомотива топливом, поэтому теплопаровоз ТП1-1 стал таким же опытным, как «Сталинец» и «8001».

 

Конструктивно ТП1-1 разительно отличался от своих луганских собратьев. И прежде всего синей кабиной машиниста впереди локомотива подобно тепловозам или электровозам, еще большим скопищем огромных шатунов и невероятных размеров цилиндрами посреди локомотива.

 

В действительности цилиндров было по два друг над другом с каждой стороны. Имелись и отбойные валы. Однако если у луганского теплопаровоза «8000» имелось четыре соединенных одним сцепным дышлом ведущих оси, непосредственно приводящих в движение локомотив (осевая формула 1-4-1), у «8001» было пять сцепленных ведущих осей (осевая формула 1-5-1), то у ТП1-1 с осевой формулой можно и ошибиться. Из пяти центральных осей сцеплены только три, так что осевая формула этого локомотива выглядела как 2-3- 2, где цифры 2 слева и справа означают по два бегунка, причем еще и разных диаметров. Задача бегунков обычная — дополнительно принимать на себя нагрузку на рельсы от локомотива, разгружая ведущие оси.

 

Каждый цилиндр ТП1-1, как и у «8000», имел по два независимых поршня диаметрами по 500 мм с ходом 700 мм, разделявших рабочее пространство цилиндра на три рабочие полости: переднюю, среднюю и заднюю. Принцип работы блока цилиндров — по Майзелю.

 

В качестве дизеля работала опять-таки средняя полость, но в нее подавалось теперь уже не дизтопливо, а газ, и на скорости движения локомотива не 15, как у луганчан, а 25 км/ч. Газ приходилось принудительно охлаждать по сложной многоступенчатой схеме до температуры не выше 100 0С, чтобы его возгорание от электрической свечи (поэтому для ТП1-1 пришло время назвать средние полости не дизелем, а, скорее, карбюраторным двухтактным двигателем) проходило в заданных условиях и нужных временных пределах. Иными словами, заложенные преимущества должны были достигаться сложнейшей конструкцией.

 

Для обеспечения всех четырех средних полостей достаточным количеством газа в тендере установили пять газогенераторов общей производительностью 4 750 м3 в час. Уголь туда подавался винтовыми конвейерами, которые приводились в действие от пара.

 

С помощью другой паровой турбины мощностью 300 л. с. в газогенераторы подавалось до 12 тыс. кубометров сжатого пара в час. При этом математические расчеты показывали, что для обеспечения 4 750 м3 газа газогенераторам требовалось, с учетом технологических потерь, до 1,4 т угля и 2,5 т пара в час. Поэтому легко себе представить, с какими техническими трудностями столкнулись коломенцы для доведения всего этого до работоспособного состояния. Но и это еще не все. После работы в цилиндрах пар направлялся в конденсаторы, где получившаяся вода собиралась в тендерных баках и оттуда возвращалась в котел. Таким образом, теплопаровоз ТП1-1 представлял собой локомотив с конденсацией пара.

 

С оглядкой на такую сложнейшую конструкцию теплопаровоз изначально должен иметь весь набор «детских болезней», устранение которых и доводка всех систем заведомо прогнозировались проблематичными и длительными.

 

Теплопаровоз ТП1-1 изготовили за пять месяцев. После первых пробежек на территории завода 26 декабря 1939 г. на диковинный локомотив смогли посмотреть и посторонние — он проходил заводские испытания по 25-км маршруту Голутвин — Луховицы (близ Коломны).

 

А вот некоторые характеристики теплопаровозов луганского и коломенского заводов — табл. 4.

 

В июне 1940 г. ТП1-1 продемонстрировали высшему руководству государства и отправили на экспериментальное кольцо Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта на более детальные исследования. В этот момент как раз на доработку и устранение недостатков вернули в Луганск теплопаровоз «8000», так что у специалистов НИИЖТ уже вполне сложилось представление об этом типе локомотивов, и его испытание могло вестись уже по имевшимся наработкам.

 

К советским ноябрьским праздникам ТП1-1 совершил 78 поездок и прошел 1 790 км. Кстати, такого же порядка пробег уже имел «Сталинец», когда впервые попал на экспериментальное кольцо НИИЖТ. Так что конкуренты по завершении испытаний на кольце НИИЖТ имели разные пробеги. А вот проблемы оказались у них одинаковыми.

 

Обнаружилось, что на скоростях около 40–45 км/ч ТП1-1 имел те же толчки, что и «8000». Причиной тому оказалась горючая газовая смесь, возгоравшаяся преждевременно, даже несмотря на предварительное охлаждение по пути в цилиндры. Этот недостаток устранили путем снижения степени сжатия в средней полости цилиндров. Проблема исчезла, но понизилась мощность локомотива.

 

«Руку дружбы» коломенцам показали и другие проблемы. Зная «слабости» луганских теплопаровозов, особое внимание уделили развитию износа экипажной части ТП1-1. Особо нагруженными, как и ожидалось, оказались отбойные валы, но из-за небольшого пробега локомотива полностью отследить появление люфтов во всех подвижных местах соединений не удалось.

 

Несколько неудобным оказалось нахождение по разным сторонам локомотива теплопаровозной бригады — машиниста с помощником в передней кабине и бригады обслуживания сзади локомотива. Даже при наличии средств связи между ними проявлялся дискомфорт — подобно тому, когда говорят «правая рука не знает, что творит левая». Поэтому в экстремальных, нештатных ситуациях достижение единства и слаженности паровозной бригады вызывало вопросы.

 

Проявилась и масса других проблем, не позволявших выпустить ТП1- 1, в отличие от более-менее доведенного «8000», на магистрали.

 

Начало Великой Отечественной войны ТП1-1 встретил на экспериментальном кольце НИИЖТ. Вскоре Коломенский паровозостроительный завод «перешел на военные рельсы», все проблемы с ТП1-1 отошли на второй план, а с размещением на своей производственной базе еще и эвакуированных луганских паровозостроителей доводка своего локомотива была и вовсе прекращена.

 

Однако проблемы жесточайшей экономии драгоценного дизельного топлива в годы войны заставляли к идее Майзеля возвращаться вновь и вновь.

 

Уже в 1942 г. инженеры А. А. Пойдо и П. В. Якобсон приступили к разработке технического проекта нового теплопаровоза, только уже с переоборудованием в обратную сторону — из тепловоза в теплопаровоз. За основу взяли удачный и зарекомендовавший себя в эксплуатации локомотив Э-ЭЛ (о нем говорилось ранее). Подобно ТП1-1 основным топливом для двигателя также являлся газ, получаемый из угля в газогенераторной установке на тендере. Для запала рабочей смеси служило жидкое топливо. Конструктивно новый локомотив оказался еще сложнее ТП1-1, и в 1944 г. от него отказались.

 

Итак, совместный опыт создания теплопаровозов двумя мощными конструкторскими школами Советского Союза убедительно показал невозможность создания такого серийного локомотива. К тому же к 1945 г. уже имелись наработки по созданию опытных тепловозов ТЭ-1 и ТЭ-2, предшественников первого серийного советского легендарного тепловоза ТЭ-3. Эти два предвестника тепловозной тяги давали в три раза больший КПД и имели массу других преимуществ. Дням теплопаровозов включился обратный отсчет, а на горизонте четко проявился тупик паровозной тяге.

 

А пока в те дни паровозы еще имели под собой твердое основание и колесили по всему миру как безальтернативное решение, луганские паровозостроители решили воспользоваться опытом своих друзей из Коломны и построили… ОР23-01.

 

Продолжение статьи читайте в декабрьском номере журнала "Наука и техника" за 2021 год.  Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

 

В магазине на сайте также можно купить магнитыкалендарипостеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.