Железнодорожный транспорт. Первые локомотивы и современные поезда - Александр Алексеевич Прасол

Полтора столетия паровая машина безраздельно царила на стальных магистралях. Совершенствовалась топка, система перегревания пара, были созданы десятки разнообразных механизмов, позволяющих в несколько раз увеличить производительность паровой машины. На паровозах появились даже генераторы, которые вырабатывали электроэнергию для освещения пассажирских поездов. Но все же, коэффициент полезного действия у паровозов был довольно низок. Средние эксплуатационные показатели достигали лишь 4 %, а наиболее совершенные модели – до 9 %. Это означало, что в полезной работе использовалась лишь десятая часть топлива, в то время, как остальные 90 % попросту вылетали в дымовую трубу. Нагрев котла, кипячение воды и перегрев пара – на все это расходовались дрова, каменный уголь или топочный мазут.

Ситуация стала меняться в конце 19 века, когда были изобретены двигатели внутреннего сгорания. В отличие от паровой машины, рабочий процесс преобразования топлива в механическую работу происходил внутри двигателя. Простейшая схема такого двигателя работает следующим образом: в цилиндр поступает воздушно-топливная смесь. В определенный момент она воспламеняется при помощи свечи зажигания или от повышения температуры в процессе сжатия. Смесь детонирует, как маленький взрыв, и разогретые газы с силой толкают поршень. Поршень движется по цилиндру и через шатун передает усилие на коленчатый вал. Вал проворачивается на один или несколько оборотов и через систему шестерней вращает, скажем, колесо.

Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на бензиновые и дизельные. Бензиновые, в свою очередь, по способу приготовления рабочей смеси делятся на карбюраторные и инжекторные. В карбюраторных бензин смешивается с воздухом в особой камере и затем подается в цилиндр, а в инжекторных двигателях воздух всасывается в цилиндр, а следом через форсунку впрыскивается топливо. У бензиновых двигателей есть определенные преимущества и свои недостатки. Один из главных, отчего бензиновые моторы на ставят на локомотивы, заключается в том, что они достаточно маломощные, и обладают более сложной конструкцией.

Немецкий инженер и изобретатель Рудольф Кристиан Карл Дизель в 1893 году создал очень простой, но весьма надежный двигатель. У него отсутствовали и карбюратор, и свечи зажигания, и магнето, дававшее высокое напряжение на электроды свечи. К тому же, вместо легко воспламеняемого бензина использовалось более дешевое топливо – солярка. Дизельному двигателю не были страшны вибрация и тряска, более того, в его конструкции рабочие цилиндры могли располагаться и вертикально, и горизонтально и даже под углом. А суммарная мощность двигателя могла доходить до нескольких тысяч тонн!

Дизель с успехом стали устанавливать на локомотивах и речных и морских судах. Были попытки даже изготовления самолетов с дизельной установкой.

Господство пара было вытеснено двигателем внутреннего сгорания. И локомотивы теперь стали называться тепловозами. И все же, приверженцы паровой тяги не хотели так просто сдавать позиции, завоеванные за полтора века эксплуатации. Принципиальная схема паровозов была тщательно отработана, машиностроительные заводы имели большой опыт и конструкторские заделы. Бросать все это ноу-хау никто не хотел.

На Коломенском паровозостроительном заводе была предпринята попытка создать некий симбиоз паровоза и тепловоза. При этом учитывались не только удачные технические решения паровых локомотивов – всеядность по отношению к топливу, высокий сцепной вес и плавное трогание с места, но и более высокий КПД двигателя внутреннего сгорания.

Поскольку первые тепловозы значительно уступали большинству паровозов по мощности, родилась идея создания гибридного локомотива, сочетающего в себе тепловоз (без промежуточной передачи между дизельным двигателем и движущими колесами) и паровоз. Первым эту идею высказал еще в 1890‐х годах основатель и первыи директор Харьковского технологического института В. Л. Кирпичев. Он назвал этот локомотив нефтевозом, поскольку в качестве топлива для дизеля предполагалось использовать сырую нефть (заметим, что великий химик Дмитрий Менделеев считал, что использовать сырую нефть в паровозной топке все равно, что топить ассигнациями!). Кроме цилиндров двигателя внутреннего сгорания предусматривались цилиндры, работающие на паре. При этом паровая машина служит для разгона, а на определенной скорости в работу включается и дизельный двигатель.

Эту идею подхватили на Коломенском заводе, где под руководством инженеров Л. С. Лебедянского, М. Н. Щукина и А. И. Козякина в 1939 году был создан теплопаровоз ТП1, способный развивать мощность 3000–3500 л. с. Машина была равной самому мощному на то время грузовому паровозу ФД. При этом 1000–1500 л. с. локомотив должен был развивать за счет паровой машины, а 2000 л. с. за счет двухтактного ДВС. Колесная формула теплопаровоза была 1–5–1, полная масса 158 т, сцепная – 120 т. Конструкционная скорость составляла 85 км/ч.

Теплопаровоз был достаточно экономичным, так как топливом для котла служила угольная пыль, а для ДВС – горючий газ, который получался в тендере из антрацитов. Газ и воздух подавались в цилиндры турбогазовоздуходувкой под давлением 1,2 атм, а зажигание производилось от электросвечей.

Конструкция теплопаровоза была максимально унифицирована со многими советскими паровозами, что давало возможность быстро наладить производство оригинального локомотива. Но были и особенности. Например, кабина машиниста располагалась перед котлом, а будка за котлом предназначалась для персонала, обслуживающего котел и газогенератор.

26 декабря 1939 года теплопаровоз ТП1–1 совершил опытныи пробег. И хотя он в опытных поездках прошел 1790 км, его работа была признана неудовлетворительной, а КПД не достиг расчетных 11 %. Для исправления дефектов локомотив был отправлен на завод. Испытания продолжились в первой половине 1941 г., но из-за начавшеися Великой Отечественной воины работы по доводке теплопаровоза так и не были завершены.

На Ворошиловградском паровозостроительном заводе также в 1939 году по проекту инженеров А. С. Близнянского, Д. В. Львова и П. А. Сороки был построен пассажирскии теплопаровоз, получивший заводской № 8000. В нем была реализована идея инженера Л. М. Маизеля применить цилиндры с двумя разбегающимися поршнями, которые делят рабочий цилиндр на три полости. При движении с места и на малых скоростях пар подается во все три полости, а на скорости 15–25 км/ч в среднюю полость цилиндров вместо пара впрыскивается жидкое топливо, а пар продолжает поступать только в крайние полости.

Колесная формула теплопаровоза была 1–4–1, полная масса 140 т, сцепная – 100 т. Конструкционная скорость составляла 130 км/ч. Этот локомотив должен был иметь такие же тяговые характеристики, как и пассажирский паровоз ИС. Многие узлы и детали были заимствованы от паровозов серий ИС и СУ, выпускавшихся на заводе. В октябре 1939 года начались испытания теплопаровоза № 8000, в ходе которых он прошел около 2000 км.

Испытания показали, что локомотив развивает скорость до 105 км/ч, а его мощность достигает 3000 л. с. (при скорости 78 км/ч). В 1940 году теплопаровоз доставил в Москву состав, после чего подвергся