Scientific journal

Scientific Review. Technical science

ISSN 2500-0799

ПИ №ФС77-57440

Железнодорожное сообщение отличается высокой пропускной способностью, надёжностью и безопасностью и поэтому является одним из наиболее распространённых видов транспорта в России.

На промежуточных пунктах следования составов – железнодорожных станциях, перегонах производится неотъемлемая часть процесса транспортировки – маневровые работы, при которых осуществляется перемещение на небольшие расстояния. Маневровые работы производятся маневровыми (тяговыми) локомотивами, которые значительно отличаются от магистральных. Основная часть современных тяговых локомотивов – тепловозы с дизельными двигателями. Магистральные локомотивы используются для маневровых работ только в случае крайней необходимости, так как в таком режиме эксплуатации значительно снижается эффективность их работы.

Особенностями тяговых работ являются чередование страгиваний и торможений, частое изменение траектории движения состава. Поэтому основными требованиями к маневровым локомотивам являются высокие развиваемые тяговые усилия и значительный сцепной вес для обеспечения плавности страгивания и снижения нагрузок на вагоны. Самая большая мощность необходима маневрово-вывозным локомотивам, которые выполняют передачу составов на другие транспортные узлы [1].

При использовании дизельных локомотивов для маневровой работы существует ряд проблем [2; 3]:

– быстрый разряд аккумуляторов;

– при быстром переключении дизеля из режима холостого хода на тягу он работает нестабильно;

– длительный период работы на режимах, далёких от номинального – на холостом ходу и в форсированном режиме, из-за чего топливо сгорает не полностью, что снижает экономичность и повышает концентрацию вредных выбросов в продуктах сгорания;

– частые разгоны и торможения, короткие пробеги с длинными простоями между ними (при этом двигатель не выключается в течение всей смены из-за сложности запуска, особенно в зимних условиях).

Перечисленные недостатки дизельных локомотивов приводят к перерасходу топлива, завышенным выбросам вредных продуктов сгорания и к высокому уровню шума [4]. По этим критериям дизельный двигатель уступает газотурбинным установкам, которые отличаются следующими достоинствами [5]:

– на порядок более низкий удельный вес;

– возможность использования более дешёвого топлива – природного газа;

– выбросы вредных веществ ГТУ на природном газе в десятки раз ниже;

– малая трудоёмкость обслуживания;

– отсутствие множества вспомогательных систем, присущих дизелям.

Учитывая тот факт, что маневровые локомотивы всё чаще применяются вблизи жилой застройки, экологические показатели начинают играть большую роль, не менее важную, чем показатели экономические [6].

Так как экологичность ГТУ не вызывает сомнений, то целью данной работы является сравнительный технико-экономический анализ дизельных и газотурбинных силовых установок маневровых локомотивов.

Материалы и методы исследования

Для расчёта и сравнения показателей дизельных и газотурбинных силовых установок маневровых тепловозов вначале необходимо произвести анализ основных режимов их работы, так как от них зависит расход и стоимость топлива.

Особенностями расходования топлива при маневровой работе являются: длительное простаивание тепловозов, частая смена позиций контроллера машиниста (ПКМ), работа на низких позициях контроллера при режимах, далёких от оптимальных.

Маневрово-вывозные тепловозы должны обладать высокой мощностью для передвижения составов на другие станции и узлы, обеспечивать плавное торможение, быстрое реверсирование, высокую надёжность и экономичность. Выбор модели тепловоза осуществляется в результате детального анализа необходимых режимов работы и условий эксплуатации.

Для сравнительного анализа экономической эффективности дизельного и газотурбинного маневрового локомотива необходимо задаться стоимостью дизельного топлива и природного газа, которая равна соответственно 53 р./кг и 26 р./кг [7].

Расчёт расхода топлива производился с использованием электронных таблиц Microsoft Excel [8] по методике, представленной в [9].

Величина расхода топлива, кг, определялась по формуле

Е = gk T1 + gx T2,

где gk и gx – расход топлива при работе под нагрузкой и на холостом ходу, кг/с;

T1 и T2 – время работы под нагрузкой и на холостом ходу, с.

При этом необходимо учитывать, что на разных режимах работы расход топлива будет отличаться, поэтому необходимо суммировать произведение расхода топлива на время работы для каждого режима.

В табл. 1 приведены значения часового расхода топлива gk для локомотива ЧМЭ3 [9] в зависимости от позиции контроллера машиниста (ПКМ). Расход топлива в режимах выбега и торможения представляет собой постоянную величину, равную 0,15 кг/мин (9 кг/час).

В табл. 2 приведены результаты расчёта расхода топлива и стоимости эксплуатации дизельного локомотива за час с учётом процентной продолжительности каждого режима работы.

Таблица 1

Часовой расход топлива ЧМЭ3

Таблица 2

Результаты расчета стоимости эксплуатации дизельного локомотива

Рис. 1. Нагрузочная характеристика маневрового локомотива ЧМЭ3

Для сравнения с дизельным двигателем была выбрана одновальная газотурбинная установка такой же мощности, что и дизельный двигатель локомотива ЧМЭ3, оптимизированная с точки зрения КПД. Газотурбинная установка имеет центробежный двухкаскадных компрессор с номинальной степенью сжатия 10. Расчёт параметров цикла ГТУ произведен с помощью специально разработанной компьютерной программы.

Для анализа газотурбинной установки использована нагрузочная характеристика, приведённая на рис. 1 [9].

Результаты исследования и их обсуждение

По нагрузочной характеристике была определена мощность двигателя локомотива ЧМЭ3 на каждом ПКМ. Результаты определения эквивалентной мощности сведены в табл. 3 и отмечены на рис. 1 жирными точками.

Далее был найден необходимый для вышеуказанного распределения использования мощности часовой расход топлива (табл. 4).

Сравнительная гистограмма стоимости топлива для дизельного двигателя и газотурбинной установки для каждого положения контроллера машиниста представлена на рисунке 2. Стоимость дизельного топлива обозначена чёрным цветом, а стоимость природного газа для ГТУ – синим. Ширина каждого столбца гистограммы пропорциональна времени работы локомотива на каждом ПКМ.

Далее было произведено суммирование часовой стоимости топлива по всем ПКМ с учётом процентной продолжительности каждого режима работы.

Анализ экономической эффективности показал, что расход топлива у газотурбинного двигателя больше, чем у дизельного (54,75/26,1 кг/ч), однако, из-за более низкой стоимости топлива – природного газа, расходы на топливо для газотурбинной установки всего на 3,9 % выше, чем у дизельного двигателя (1423 р./ 1369 р.).

При расчете эффективности установки была использована одновальная модель ГТД. Для дальнейшего развития темы исследования использования ГТД на маневровых локомотивах целесообразно рассмотреть более совершенные конструкции, с двух- и трехвальной компоновкой, имеющие более высокие показатели экономической эффективности [10]. ГТД со свободной силовой турбиной, кроме высокой экономичности, также имеют преимущества в виде высокого крутящего момента при переходных режимах.

Возможно также рассмотрение применения регенератора тепла уходящих газов для повышения КПД установки в маневровых локомотивах, однако при этом следует иметь в виду, что в локомотивах имеются жёсткие ограничения по габаритам установки.

Таблица 3

Эквивалентная мощность относительно ПКМ

Таблица 4

Результаты расчета стоимости топлива для ГТД