В XXI веке газотурбинная тяга снова появляется на железнодорожных линиях. Развитие на протяжении прошедшего столетия авиационных ГТД позволило буквально сделать революцию в самолетостроении. Менее активно внедрялись газотурбинные двигатели в наземном транспорте, в частности, железнодорожном. Здесь ведущими при оценке эффективности нового вида тяги были вопросы тепловой экономичности первичных двигателей, а также их надежности. В те годы на автономных локомотивах прочные позиции уже завоевал дизель с газотурбинным наддувом, имеющий высокий КПД (37 — 38 %) и по тем временам вполне отвечающий требованиям железнодорожного транспорта по агрегатной мощности в секции.

Вполне понятно поэтому, что при создании первых газотурбовозов речь шла, прежде всего, о проверке эксплуатационных качеств ГТД в условиях резко переменных режимов их работы. Несомненно, учитывались также перспектива дальнейшего повышения кпд газотурбинного двигателя, возможность создания автономных локомотивов большой мощности. За последние годы в области отечественного и зарубежного дизелестроения достигли существенного снижения расходов на топливо и масло, повышения кпд дизеля (до 42 — 44 %).

В США дизелестроительные фирмы за последние 20 — 25 лет значительно снизили (до 25 %) расход топлива на тягу, что позволило сэкономить сотни миллиардов долларов.

Чтобы догнать США, потребуется 10 — 15 лет, а стоит ли тратить время на эти работы, а не лучше ли направить усилия на применение на автономном подвижном составе новых типов силовых установок? Анализ показывает, что в настоящее время наиболее готовыми к применению на железнодорожном транспорте являются газотурбинные двигатели четвертого поколения (созданные для военно-промышленного комплекса), специально переработанные для нужд наземного транспорта.

Работы по использованию природного газа в качестве топлива для газотепловозов проводятся в ОАО "РЖД" начиная с 1984 г. C учётом размеров разведанных запасов природного газа, значительно превышающих разведанные запасы нефти, создание перспективного подвижного состава железных дорог будет ориентировано на топливно-энергетические ресурсы, обеспеченные в стране на длительную перспективу. Природный газ относится к их числу.

Эффективность газотепловозной тяги будет определяться объёмами замещения дорогостоящего дизельного топлива на значительно более дешевое газомоторное топливо (сжиженный и сжатый природный газ), а также экологическими преимуществами газового топлива, что особенно важно при эксплуатации в крупных транспортных узлах.

За рубежом в практике локомотивостроения последних лет для турбопоездов и скоростных газотурбовозов применяют авиационные двигатели, приспособленные к условиям железных дорог. Так как газотурбинному двигателю на локомотиве предстоит конкурировать с дизелем, то вопросы экономичности, надежности и срока службы — первостепенные.

В настоящее время принципиальным является выбор параметров газотурбовоза и газотурбинного двигателя. Ряд специализированных предприятий в России готовы разработать, изготовить опытные образцы и поставлять специальные ГТД для газотурбовозов. Подготовлены технические предложения как применить газотурбинные двигатели на подвижном составе. В основном они выполнены по одновальной схеме с регенератором. Работа ГТД предусмотрена на газе — может использоваться как сжатый газ, так и сжиженный.

Характеристики удельного расхода топлива дизелем Д49 (1-9ДГ) мощностью 2206 кВт, замеренные на тепловозе, а также ориентировочные (расчетные) газотурбинными двигателями №1 и №2 мощностью соответственно 4 и 6 тыс. кВт (рис. 1). В связи с отсутствием опытных образцов таких двигателей расход топлива на холостом ходу и потребность в масле не определены.

Рис. 1. Характеристики удельного расхода топлива в зависимости от мощности

Учитывая особенности газотурбинного двигателя — большую мощность при малом весе — возможно создание автономного локомотива с параметрами по тяге и скорости, равноценного перспективному электровозу, и даже превосходящего его, что недоступно тепловозу.

1.Преимущества газотепловозной тяги

1.1 Экономические выгоды использования газотепловозной тяги

Применение природного газа в качестве моторного топлива имеет для ОАО "РЖД" весьма актуальное значение. Затраты на дизельное топливо для тепловозов составляют около 20% общих эксплуатационных расходов в локомотивном хозяйстве компании. В условиях жёсткого тарифного регулирования ОАО "РЖД" вынуждены искать пути снижения себестоимости перевозок с целью повышения конкурентоспособности на рынке транспортных услуг. Применение природного газа в качестве моторного топлива при определённых условиях может дать значительную экономию средств направляемых на энергоносители.

Это преследует несколько целей: экономию средств на приобретение топлива, поскольку цена эквивалентного количества газа значительно (до 50 %) ниже, чем дизельного топлива; снижение вредных выбросов в атмосферу с выпускными газами дизелей, так как при работе на природном газе их токсичность значительно ниже, чем при работе на дизельном топливе, а дымность (сажа) меньше на порядок; обеспечение устойчивого топливоснабжения тепловозов в перспективе с учетом динамики изменения добычи нефти и газа, их сравнительных запасов и прогнозов истощения месторождений.

Актуальность этой проблемы определена правительственными документами: федеральной целевой программой «Топливо и энергия» и Концепцией энергетической политики России в новых экономических условиях [1].

Расчёты показывают, что суммарное замещение дизельного топлива природным газом на железнодорожном транспорте может составить около 1 млн. т/год, а потребность в природном газе - 1,2 млрд. м3/год.

1.2 Недостатки дизелей

За последние 20 лет промышленностью достигнуто значительное улучшение технико-экономических показателей дизельных силовых установок.

Так, у современных дизелей максимальное давление сгорания достигает 18,0...25,0 МПа, что позволяет реализовать индикаторный КПД на уровне 0,55. Это соответствует удельному индикаторному расходу топлива 154 г/(кВт·ч). С учетом максимально возможного механического КПД дизеля 0,9 минимальный удельный расход топлива составляет 170 г/(кВт-ч). Кроме механических потерь, существуют затраты энергии на охлаждение (4...6 %). Реально на локомотивах может быть реализован максимальный эффективный КПД ηе=0,47(179г/(кВт·ч)).

Дальнейшее увеличение параметров цикла нецелесообразно из-за значительных потерь, связанных со свойствами реальных газов и ростом влияния вредного пространства камеры сгорания на показатели работы двигателя. Кроме того, возрастают трудности смесеобразования и токсичность выпускных газов. На фоне возрастающих требований к снижению токсичности выпуска, последнее обстоятельство является достаточно существенным. Появляется необходимость снижения экономичности и установки систем очистки выпуска с подогревом выпускных газов на режимах частичных нагрузок. Это приведет к потере экономичности двигателя еще на 2...3 %. Таким образом, можно считать, что в перспективе экономичность дизельных двигателей не будет лучше 175 г/(кВт·ч). Удельный вес дизелей может снизиться в 1,5...2 раза за счет увеличения быстроходности, однако всегда останется необходимость смены форсунок и поршневых колец. Затраты на обслуживание и ремонт дизелей составляют более 50 % всех затрат на обслуживание и ремонт тепловозов. Затраты связаны не только с приобретением запасных частей, но и с тяжелым физическим трудом, не поддающимся механизации и автоматизации.

1.3 Преимущества газотурбинных двигателей

Названные недостатки дизелей заставляли конструкторов и ученых искать альтернативные варианты силовых установок для автономного подвижного состава.

Анализ показывает, что в настоящее время наиболее готовыми к применению на железнодорожном транспорте являются газотурбинные двигатели четвертого поколения, специально переработанные для нужд наземного транспорта. Не случайно в США в 2000 г. был выпущен на испытания пассажирский локомотив с газотурбинным двигателем.

Привлекают низкие весовые и габаритные показатели ГТД, конвертируемость на природный газ, пропанобутановые смеси и жидкие топлива, получаемые из природного газа, высокая экологическая эффективность (выбросы вредных веществ при работе ГТУ в 15-20 раз ниже, чем при работе дизелей), малая трудоемкость текущего обслуживания, отсутствие ряда вспомогательных систем, присущих дизельным установкам, возможность повышения эффективного К.П.Д. до 50% и более при применении регенерации тепла, возможность использования твердых топлив при переводе на цикл с внешним подводом тепла и др.

Конечно, сдерживающим фактором является высокая цена таких двигателей. Однако по нашим расчетам стоимость жизненного цикла локомотива с ГТУ при применении природного газа или пропанобутановых смесей в 1,5-2,0 раза ниже: чем стоимость жизненного цикла тепловоза, работающего на дизельном топливе. При расчетах не учитывался дополнительный эффект, связанный со снижением выбросов вредных веществ и платой за нарушение экологических требований [22].

Достигнутый в настоящее время КПД тепловоза не превышает 32 % (обычно 27 — 30 %) и ограничивается, главным образом, величиной КПД первичного двигателя, т.е. дизеля. Возможности его совершенствования в настоящее время исчерпаны. Об этом свидетельствует тенденция изменения характеристик дизелей: за последние 30 лет среднеэксплуатационный КПД увеличился менее чем на 3 %.

Дизель (а также газодизель) — это тепловой двигатель, и его КПД ограничен величиной КПД цикла Карно. Поэтому повышения КПД увеличением максимальной рабочей температуры цикла добиться не удается, так как начинается термическая диссоциация молекул. Кроме того, снижается прочность деталей и их ресурс, что также накладывает ограничение. Температура выхлопных газов определяется степенью последующего расширения, которая, в свою очередь, ограничена габаритами дизеля и рядом других параметров, не позволяющих эту температуру существенно понизить.

Таким образом, единственная возможность значительно улучшить характеристики тепловоза - это отказ от теплового двигателя в пользу химических источников тока - топливных элементов (ТЭ), непосредственных преобразователей химической энергии топлива в электрическую. В сущности, ТЭ отличаются от обычных гальванических элементов лишь непрерывным подводом веществ, вступающих в токообразующую реакцию, и таким же непрерывным их отводом.

Следует отметить, что топливные элементы не являются тепловым двигателем, и их КПД не ограничен циклом Карно, т.е. он теоретически может достигать 100 % (практически достигнутые значения — 60 - 80%). Более того, специфика токообразующих реакций такова, что электрическая работа может быть больше теплового эффекта реакции.

Построены и испытываются опытные образцы новой техники. Известны проекты применения ТЭ на городском транспорте. Существуют разработки стационарных теплоэлектростанций, в которых использование твердого топлива обеспечивается путем его газификации в газогенераторах, совмещенных с высокотемпературными ТЭ. Этот же путь (предварительная газификация) может быть использован и на передвижных энергетических установках [3].

Таким образом, перспективой на ближайшие 5-10 лет могут стать газотепловозы, а повсеместный переход на газотурбинную тягу в мире произойдет в 20-30-е годы, которую потом заменят тепловозы на ТЭ.

2. Газотурбовозы

2.1 Газотурбинный двигатель

Газотурбинный двигатель тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс газотурбинного двигателя может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объеме [4].

По своему предназначению газотурбинный двигатель (ГТД) — машина транспортная, поэтому при выборе типа силовой установки для первых типов локомотивов ему было уделено достаточно много внимания. Начало использования газотурбинных двигателей на железнодорожном транспорте практически совпало с внедрением их в самолетостроении. Если высокая удельная мощность такого типа двигателей обеспечивала им преимущество перед поршневыми в авиации, то в локомотивостроении они в то время не могли конкурировать с высокоэкономичными тепловозными дизелями.

В последние годы тепловая экономичность газотурбинных двигателей значительно повысилась и уже вплотную приблизились к поршневым. Поэтому, естественно, снова возрастает интерес к использованию газотурбинной тяги на железнодорожном транспорте.

Впервые в мире локомотив с ГТД (газотурбовоз) № 1101 мощностью 1618 кВт (2200 л.с.) был построен в 1941 г. в Швейцарии фирмой «Браун-Бовери» для Швейцарских федеральных железных дорог. Газотурбинный двигатель (рис. 2) представлял собой одновальную силовую установку с регенерацией тепла уходящих газов, смонтированный на одной раме с редуктором и генератором постоянного тока. Рама также служила резервуаром для топлива и масла. Технические характеристики первых газотурбовозов и их газотурбинных двигателей (табл. 1).

Рис.2. Газотурбинный двигатель газотурбовоза №1101

Таблица 1

Основные технические данные газотурбовозов, которые были построены первыми в различных странах

Наименование параметов	СССР		Швейцария				ЧССР		Англия	США
	Коломенский тепловозостроительный завод		Фирма «Браун-Бовери»				«Заводы имени Ленина» («Шкода»)		Фирма «Метрополи-тен-Виккерс»	Фирма «General Electric»
	Г1	Г	110		180		ТЛ65900		18100	4500		8500
1	2		3				4		5	6
Год выпуска	1959	1964	1941		1949		1958 — 1960		1952	1948— 1954		1358—1961
Осевая формула	Зо-Зо	Зо-Зо	1+ 10+20+10+1		1+ 10+20+10+1		3+3		Зо-Зо	2о+20-20+20		2(30-30)
Род службы	Грузовой	Пассажирский					Грузопассажирский		Пассажирский	Грузовой
Число секций	2	1										2
Общая масса, т	140	129	92,1		118		123		132	235		408
Запас топлива тяжелого (легкого) кг	9500 (1500)	11000 (850)	4200 (1500)		6580 (1000}		3420 (162)		6600 (4060)	2450 (3400)		8600 (8500)
Нагрузка от оси на рельсы, тс	23,3	21,5	16,1		20,1		20,5		21,9	29,5		31,2
Конструкционная скорость, км/ч	100	160	113		145		85/125		145	105
Передача мощности на колеса	Электрическая постоянного тока						Механическая, две ступени скорости		Электрическая постоянного тока
Газотурбинный двигатель, тип	Одновальный		Одновальный с регенератором				Двухвальный с регенератором		Одновальный
Мощность, кВт/л.с.	2574/3500		1618/2200		1838/2500		2265/3080		2206/3000	3309/4500		6250/8500
Число оборотов в минуту	8500		5200		5800		5550		7000	6900		4860
Удельный расход топлива, г/кВт-ч	327		376		380		—		328	380		_
Компрессор, тип	Осевой
Число ступеней	12		21	29 -		17		15			16
Расход воздуха, кг/с	26		28,1	28		29,7		22,6		41	72
Камера сгорания, тип	Прямоточная,секционная		Прямоточная					Прямоточная ,секционная
Число камер сгорания	6		1					6			10
Ступеней турбины	4					2/1		5		2
Температура газов перед турбиной, "С	727					650		700			790
Количество построенных локомотивов	1	2		1		2		1		25	30