На Свердловской железной дороге в августе 2016 года успешно завершилась эксплуатация магистрального газотурбовоза ГТ1h-002.
Созданию современного отечественного локомотива с газотурбинным двигателем предшествовали заманчивые показатели абсолютного превосходства удельной мощности газовых турбин стали причиной настойчивых попыток конструкторов разных стран создать работоспособный локомотив с газотурбинным двигателем внутреннего сгорания. Первый в мире газотурбовоз мощностью 1600 кВт был построен в 1941 году фирмой Brown, Boveri & Cie в Швейцарии. Но мощность его силовой установки в опытных поездках использовалась не более чем наполовину, поэтому его КПД не превышал 7–9%. Второй газотурбовоз этой фирмы, построенный в 1949 году, оказался более удачным. Спустя 10 лет его пробег составил около 600 тыс. км, а турбина наработала более 9 тыс. часов.
В 1948 году в США первый односекционный газотурбовоз построили фирмы General Electric и ALCO. К концу 1954 года на Union Pacific было поставлено 25 газотурбовозов, а спустя несколько лет построено 30 более мощных газотурбовозов. Скорость движения грузовых поездов с ними увеличилась с 29 до 45 км/ч. Среднемесячный пробег составил 19 –20 тыс. км – в два раза больше, чем у тепловозов.
В 1955 году в СССР на Коломенском заводе начались работы по созданию первого отечественного двухсекционного грузового газотурбовоза. Под руководством главного конструктора Льва Лебедянского организовали специальные конструкторские бюро, создали производственные и экспериментальные участки и лаборатории, испытательные стенды.
Первый магистральный грузовой газотурбовоз Г1 был построен в декабре 1959 года, его мощность составила 2574 кВт (3500 л.с.), КПД – 18,5%.
Эксплуатационные испытания Г1 проходил в депо Кочетовка Юго-Восточной дороги с грузовыми поездами массой 2200–2800 тонн. К концу года его пробег превысил 20 тыс. км, а общий с учётом испытаний достиг 30 тыс. км. Испытатели отмечали хорошие эксплуатационные качества газотурбовоза, его надёжную работу в летних и зимних условиях.
Затем было принято решение о постройке ещё двух газотурбовозов ГП1 на базе серийного тепловоза ТЭП60. Построенные в 1964 году пассажирские газотурбовозы ГП1-001 и ГП1-002 вместе с грузовым Г1 были направлены в депо Льгов Московской дороги для опытной эксплуатации.
КПД газотурбовозов составил 15%, расход топлива на измеритель перевозочной работы при полновесных поездах – 90 кг условного топлива, что в 2,3–2,4 раза больше, чем у тепловоза ТЭЗ. Но так как используемое ими тяжёлое (дистиллятное) топливо было в два раза дешевле дизельного, а расход масла на смазку в 7–10 раз меньше, чем у тепловоза, то суммарные затраты были практически одинаковыми.
Однако из-за использования дешёвых сортов нефтяного топлива турбины быстро загрязнялись и требовали частого ремонта. Низкий КПД (более чем в два раза по сравнению с тепловозами), особенно при малой нагрузке, не позволил им конкурировать с тепловозными дизелями. И в 1973 году Коломенский завод прекратил все работы по газотурбовозам.
В последние годы тепловая экономичность газотурбинных двигателей (ГТД) значительно повысилась и уже приближается к поршневым двигателям. Поэтому снова возрос интерес к их использованию на железнодорожном транспорте. На железных дорогах России имеется целый ряд станций стыкования электрической и тепловозной тяги. Так как мощность современных тепловозов ниже, чем у электровозов, то составы там приходится расформировывать и вывозить по частям. Учитывая особенности ГТД – большая мощность при малом весе и габаритах, появилась возможность создания автономного локомотива, равноценного по тяге и скорости перспективным электровозам, а по экономичности и надёжности не уступающего тепловозу. Он способен принять состав весом 6000 тонн и без переформирования доставить его до места назначения.
В 2005–2013 годах ОАО «РЖД» организовало комплекс научно-исследовательских работ по созданию локомотива с газотурбинной силовой установкой мощностью 8300 кВт, работающей на сжиженном природном газе (СПГ). Его преимущества следующие: наименьшая масса, приходящаяся на единицу мощности, более дешёвое топливо, простота конструкции, малый вес деталей и узлов газотурбинной установки. Запускается ГТД за 2–3 минуты без предварительного прогрева даже при низких температурах. Сразу после выхода на частоту вращения холостого хода двигатель может принимать полную нагрузку, отсутствует жидкостная система охлаждения. Важны также меньшая трудоёмкость и стоимость ремонта. Учитывая, что природный газ легче воздуха, применение его более безопасно, чем бензина, авиационного керосина, дизельного топлива. При разливе криогенное топливо быстро улетучивается. Даже небольшая утечка природного газа может быть обнаружена посредством газового анализа и немедленно будут приняты меры для предотвращения воспламенения.
К недостаткам можно отнести пониженный КПД газовой турбины, необходимость хранения криогенного топлива и создания для этого специальной наземной инфраструктуры. Кроме этого, отмечен повышенный удельный расход топлива при работе с составами малых весовых норм до 6000 тонн.
При создании газотурбовоза ГТ1-001 был решён ряд сложных научно-технических проблем: разработаны и изготовлены высокооборотный (6000 об/мин) тяговый генератор, объединённые микропроцессорные системы управления и диагностики газотурбинного двигателя и электрической передачи. Были разработаны локомотивные криогенные ёмкости и бортовые системы хранения, передачи и регазификации сжиженного газа с минимальным временем подготовки к работе (захолаживания), создан гибкий трубопровод для передачи криогенного топлива с секции на секцию. Для смазки подшипников ГТД и генератора созданы системы маслообеспечения с охлаждением масла криогенным топливом.
Одной из важных проблем, которую предстояло решить при использовании СПГ в газотурбинном двигателе, является превращение сжиженного газа в газообразное состояние перед подачей в камеры сгорания. Так как решение этих вопросов потребовало значительного времени на НИОКР, то для ускорения дела первый газотурбовоз ГТ1-001 был создан на базе экипажной части и кузова существующего электровоза ВЛ15-008. Это один из самых мощных грузовых магистральных электровозов с наибольшей длиной по автосцепкам (45 м), что позволило разместить в нём все необходимое оборудование.
В создании газотурбовоза и оборудования для него участвовали 54 промышленных предприятия, 90% из которых – российские. Проектную документацию на локомотив подготовили специалисты ОАО «ВНИКТИ», он и стал головным разработчиком. Силовую установку для газотурбовоза создали в ОАО «СНТК имени Н.Д. Кузнецова». Для разработки криогенной ёмкости и топливной системы привлекли ОАО «Уралкриомаш», специалисты которого имеют большой опыт разработки таких систем для ракетной техники. Создание тягового генератора было поручено ООО «Электротяжмаш-Привод». А изготовление узлов и сборка газотурбовоза доверены Воронежскому тепловозоремонтному заводу ОАО «РЖД».
В октябре 2009 года ОАО «РЖД» получило диплом Книги рекордов Гиннесса за создание самого мощного в мире магистрального газотурбовоза, работающего на сжиженном природном газе. А в сентябре 2011 года в рамках III Международного салона «ЭКСПО 1520» локомотив ГТ1-001 поставил новый мировой рекорд, проведя грузовой состав весом 16 тыс. тонн из 170 вагонов по Экспериментальному кольцу ВНИИЖТа в Щербинке.
Конструкцию опытного локомотива дополнили мощной тяговой аккумуляторной батареей – накопителем электрической энергии. Это позволило осуществлять маневровые передвижения за счёт накопленной энергии, чтобы не эксплуатировать мощную газовую турбину на режимах малых нагрузок. Так локомотив получил гибридный силовой привод и, соответственно, новое обозначение – ГТ1h-001. После этого началась подконтрольная эксплуатация газотурбовоза на Свердловской дороге. С октября 2013 года он водит тяжеловесные поезда массой 6000–9000 тонн на участке Егоршино – Серов-сортировочный. Проведено уже более 90 таких составов. ГТ1h-001 совершил более 250 поездок, выполнив работу в объёме 300 млн ткм брутто, его линейный пробег составил более 53 тыс. км.
Как показали испытания, газотурбовоз – самый экологически чистый в мире локомотив. По наиболее опасному загрязнителю – оксидам азота (NOx) он создаёт выхлоп в два и более раз ниже того, что предписано европейскими нормами.
Такие результаты позволили приступить к созданию следующего промышленного образца, получившего обозначение ГТ1h-002. Впервые он был представлен в сентябре 2013 года на IV Международном салоне «ЭКСПО 1520» в Щербинке. Локомотив выглядел настоящим гигантом на рельсах. Он построен на Людиновском тепловозостроительном заводе.
Имея одинаковое обозначение серии, новый локомотив по конструкции принципиально отличается от предыдущего. Он имеет полностью заново построенную экипажную часть на основе главной рамы и тележек тепловоза ТЭМ7А. Длина каждой секции локомотива – 21,5 м, а его общая длина – 43 м. Масса бустерной секции с ёмкостью для хранения сжиженного природного газа — 184 тонны. Аналогичную массу имеет тяговая секция, на которой расположена силовая установка. Таким образом, общая масса локомотива составляет 368 тонн, максимальная нагрузка на ось 23 тс. Конструкционная скорость – 100 км/ч.
Газотурбовоз оснащён турбиной мощностью 8500 кВт, которая обеспечивает силу тяги в длительном режиме 80 тонн, а при трогании – 90 тонн.
Особенностью газотурбовоза ГТ1h-002 стала и принципиально новая криогенная ёмкость для топлива, конструкция которой позволяет осуществлять дозаправку сжиженным газом при нахождении её непосредственно на локомотиве. Она вмещает до 20 тонн сжиженного газа.
С начала подконтрольной эксплуатации этого газотурбовоза в ноябре 2015 года на Свердловской дороге была выполнена работа в объёме 110 млн ткм брутто, пробег составил 20 тыс. км. А 23 мая этого года в ходе экспериментальной поездки по маршруту Сургут – Войновка подтверждена возможность вождения поездов массой до 9000 тонн на плече протяжённостью 700 км без дозаправки.
Итак, в XXI веке газотурбинная тяга снова появляется на железных дорогах. Перспективу замены дизельного топлива для локомотивов газом можно сравнить с некогда революционным уходом от паровозной тяги. Возможно, появление газотурбовозов и локомотивов с двигателями внутреннего сгорания, использующими топливо СПГ, станет таким же новым этапом в развитии тягового подвижного состава. «Гудок»
