содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

ПРЕИМУЩЕСТВА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТЕПЛОВОЗЕ

Интересно такое сравнение: в огневой коробке паровозного котла может разместиться автомобиль «Волга», а в камере сгорания одного цилиндра дизеля тепловоза той же мощности едва умещается фара этого автомобиля. Общая масса паросиловой установки паровоза при мощности 1470 кВт (2000 л. с.) составляет примерно 40 т (без воды в котле и угля в топке), а дизеля той же мощности (без вспомогательного оборудования) — около 16 т, т. е. в 2,5 раза меньше. При этом паросиловая установка, например, паровоза Л требует для своего размещения площади свыше 50 м2, а тепловозного дизеля 2Д100 — только 12 м2. Если на тепловоз поставить более быстроходный дизель, то соотношение в массах паросиловой установки паровоза и дизеля еще больше увеличится. Так, на тепловозе ТГ102 установлены два дизеля М756 с частотой вращения коленчатого вала 1500 об/мин (у дизеля 2Д100 только 850 об/мин) и первоначальной мощностью 736 кВт (1000 л. с.) каждого; суммарная масса обоих дизелей 3,8 т, т. е. почти в 10 раз меньше, чем масса паросиловой установки той же мощности. Компактность—важное достоинство дизеля (рис. 9).

Рис. 9. Наглядное сравнение размеров дизеля и паросиловой установки

Самое же главное преимущество дизеля в том, что коэффициент полезного действия у него в 6—7 раз выше,
чем у паросиловой установки паровоза. Чем это объясняется?

Водяной пар, совершив работу в паровой машине паровоза, выпускается в атмосферу. Но отработавший пар сможет выйти в атмосферу только в том случае, если его давление превысит атмосферное (иначе он просто не выйдет из машины). Более того, давление отработавшего в машине пара должно быть достаточно высоким. Ведь в паровозах необходимая для интенсивного горения топлива тяга осуществляется с помощью специальной вытяжной установки: струя выходящего из конуса пара увлекает окружающую ее газовую среду и выбрасывает газы через дымовую трубу в атмосферу. Чтобы паровая струя имела достаточную скорость, давление пара перед конусом, т. е. после расширения пара в машине, должно быть выше атмосферного давления в среднем в 1,5 раза и даже больше. При таком давлении температура отработавшего пара не может
быть ниже 110—120°С, поэтому он будет уносить с собой большое количество теплоты. В 1 кг отработавшего пара содержится около 2724 кДж, или 650 ккал теплоты. Для сравнения напомним, что энтальпия, т. е. теплосодержание перегретого пара, например, при давлении 1,57 МПа, или 16 кгс/см2 (с таким давлением парпоступает в машину паровоза), составляет 3210 кДж (766 ккал). Следовательно, только! 486 кДж (116 ккал) теплоты из 3210 кДж, пошедших на образование каждого килограмма пара, превращается в работу, а остальная теплота бесполезно выбрасывается из паровой машины в атмосферу. В этой потере теплоты с выпускаемым паром, как в зеркале, отражаются ограниченные возможности повышения экономичности паровоза.

Из физики известно, что эффективность паросиловой установки тем выше, чем больше температура и давление пара, входящего в паровую машину, и меньше давление пара, выходящего из нее. В этом случае полезно использованное количество теплоты в цилиндрах возрастает. Почему же паровозостроители до самых последних лет не смогли существенно повысить температуру и давление пара на входе в паровую машину и снизить давление отработавшего пара? Почему они были вынуждены прекратить постройку паровозов как в нашей стране, так и в ряде других стран.

Начнем с увеличения начального давления. Ведь в стационарных тепловых установках используется пар с начальным давлением до 29,4—44,1 МПа (300—450 кгс/см2), а в паровозах только до 1,47—1,56 МПа (15—16 кгс/см2).

Выясним, какое влияние на экономичность паровоза окажет повышение начального давления пара при одной и той же температуре, например при 400° С. Оказывается, если давление пара повысить с 1,47 до 1,96 МПа (15—20 кгс/см2), то доля тепла, которая может быть полезно использована, увеличится всего на 1,5%. При дальнейшем увеличении давления эта доля, приходящаяся на 0,098 МПа (1 кгс/см2) повышения давления, снижается. Так, например, если поднять давление пара с 14,7 до 19,6 МПа (150—200 кгс/см2), то долю используемого тепла удается повысить всего лишь на 0,4%. Следовательно, физические свойства пара таковы, что повышение одного начального давления дает незначительный выигрыш в экономичности процесса.

С другой стороны, давление пара в паровозных котлах нельзя существенно повысить по конструктивным соображениям. Существующие котлы паровозов — жаротрубные с плоскими стенками топки. Их прочность не позволяет поднять давление в котле выше 1,96—2,45 МПа (20—25 кгс/см2). Дальнейшее повышение давления требует коренной переделки конструкции существующих котлов. Отсюда можно сделать очень важный вывод: для повышения экономичности установки необходимо повысить не только давление, но и начальную температуру пара. Почему же не повышают эту температуру, скажем, с 400 до 1000° С и более? Потому, что на этом пути возникают, к сожалению, также серьезные трудности. Высокая температура— враг металлов, из которых сделаны детали, в особенности если они соприкасаются с паром или газом непрерывно. В таких условиях и при таких температурах обычный жаростойкий металл быстро теряет прочность. Не менее важно, что смазка, без которой невозможна нормальная работа цилиндро-поршневой группы, может устойчиво работать при температуре не более 400—450° С. Учитывая сказанное, станет понятно, почему дело с повышением начальной температуры пара дальше опытов не пошло.

В стационарных энергетических установках и на водном транспорте значительное повышение экономичности паросиловой установки достигается за счет снижения конечного давления расширения пара. С этой целью отработавший пар выбрасывается не в атмосферу, а в специальные холодильники (конденсаторы), в которых создается разрежение (вакуум) за счет охлаждения (конденсации) пара, например речной водой, подаваемой насосами. Благодаря этому удается понизить давление пара, выходящего из паровой машины, до 0,003—0,005 МПа (0,03—0,05 кгс/см2), т. е. намного ниже атмосферного. Но для этой цели расходуется очень большое количество воды (до 50—120 кг воды на 1кг конденсирующегося пара), и размеры холодильника для охлаждения отработавшего пара слишком велики.

В локомотиве, где для охлаждения пара нельзя воспользоваться водой из рек или водохранилищ, приходится отказываться от вакуумной конденсации и выпускать отработавший пар из машины в атмосферу. Таким образом, в условиях паровоза снизить конечное давление пара практически не представляется возможным, а значит, и нельзя заставить пар дополнительно расширяться, т. е. совершать значительную дополнительную работу, хотя попытки создания паровозов с атмосферной конденсацией пара в тендере специальной конструкции предпринимались и у нас, и за рубежом.

Итак, низкий коэффициент полезного действия (к. п. д.) паровоза — это его органический недостаток. Иначе говоря, сколько бы мы ни улучшали конструкцию паровой машины, все равно заметных результатов в повышении экономичности паровоза не достигли бы: нельзя получить к. п. д.

паровоза, близкий к к. п. д. тепловоза.
 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..