Введение

Парно-турбинный локомотив — это паровоз, в котором паровая энергия передаётся колёсам посредством паровой турбины. Было сделано множество попыток создания локомотивов такого типа, но большинство из них оказались безуспешными. В 1930-х годах этот тип локомотива рассматривался как способ возродить использование паровой тяги и составить конкуренцию только начинавшим внедряться дизельным локомотивам.

Преимущества

Высокая эффективность на высоких скоростях. Значительно меньше движущихся частей, а значит, потенциально выше надежность. Традиционные поршневые паровозы выдают переменный, синусоидальный крутящий момент, что значительно повышает вероятность пробуксовки колес при старте. Боковые тяги и золотниковый механизм традиционных паровозов создают горизонтальные силы, которые невозможно полностью сбалансировать, не увеличив существенно вертикальное воздействие на рельсы, известное как "удар молота".

Недостатки

Высокая эффективность обычно достигается только при высокой скорости и большой мощности (хотя некоторые шведские и британские локомотивы были спроектированы и построены для работы с эффективностью, равной или превосходящей эффективность поршневых двигателей в обычных условиях эксплуатации, включая работу при частичной нагрузке). Газотурбинные локомотивы испытывали схожие проблемы, а также ряд других трудностей. Максимальная эффективность достигается только при выбросе отработанных газов турбины в почти вакуум, создаваемый поверхностным конденсатором. Эти устройства тяжелы и неудобны в использовании. Турбины могут вращаться только в одном направлении. Для обеспечения движения парового локомотива с прямым приводом назад необходимо устанавливать обратную турбину.

Методы привода

Было два способа вращать колеса: либо напрямую через передачи, либо с использованием тяговых двигателей, приводимых в действие генератором.

Аргентина

Маршрут из Тукумана в Санта-Фе (Аргентина) пролегает через гористую местность с ограниченными возможностями для пополнения запасов воды. В 1925 году шведская фирма NOHAB построила турболокомотив, аналогичный первой конструкции Фредрика Люнгстрема. Конденсатор работал достаточно эффективно – в пути терялось всего 3-4% воды, исключительно из-за утечек из резервуара. Локомотив имел проблемы с надёжностью и впоследствии был заменен поршневым паровозом, оснащенным конденсатором.

Франция

Во Франции было предпринято две попытки. Одна из них, Nord Turbine, по внешнему виду и механической компоновке напоминала LMS Turbomotive. Проект был отменен, и вместо этого локомотив построили как паровоз с комбинированным поршневым приводом. Вторая попытка, SNCF 232. Q.1, была осуществлена в 1940 году. Особенностью этого локомотива было то, что его движущие колеса не были соединены шатунами. Каждая из трех движущих осей имела собственную турбину. Он был сильно поврежден немецкими войсками во время Второй мировой войны и списан в 1946 году.

Германия

Немецкие локомотивостроители неоднократно предпринимали попытки создать локомотив такого типа. В 1928 году Krupp Zoelly построил паротурбинный локомотив с редуктором. Отработанный пар турбины подавался в конденсатор, который позволял экономить воду и повышать тепловую эффективность турбины. Поддув для топки обеспечивался паровым вентилятором в дымовой коробке. В 1940 году этот локомотив был поврежден бомбой. Он был снят с эксплуатации и не подлежал восстановлению. Аналогичный локомотив был построен компанией Maffei в 1929 году. Несмотря на использование котла с более высоким давлением, он оказался менее эффективным, чем локомотив Krupp Zoelly. В 1943 году он также был поврежден бомбой и выведен из эксплуатации. В 1927 году Henschel переоборудовал обычный паровоз DRG класса 38, заменив его привод на паровую турбину. Сам локомотив был незначительно модифицирован, основные изменения коснулись тендера, который был оснащен сцепленными ведущими колесами в схеме 2-4-4, приводимыми в движение отдельными турбинами для движения вперед и назад. Обе турбины приводились в действие отработанным паром среднего давления из оригинальных цилиндров. Конденсатор, установленный в тендере, создавал вакуум для отвода отработанного пара турбины, повышая тепловую эффективность. Поскольку давление на выходе было пренебрежимо малым, первоначальный сопловой аппарат в дымовой коробке пришлось заменить на электрический вентилятор. Результаты оказались неудовлетворительными, и турбинный тендер был демонтирован в 1937 году.

Италия

Джузеппе Беллуццо из Италии спроектировал ряд экспериментальных турбинных локомотивов. Ни один из них не был испытан на основных путях. Первый его локомотив был небольшим, с четырьмя колесами, каждое из которых оснащалось собственной небольшой турбиной. Движение задним ходом достигалось подачей пара в турбины через входное отверстие, направленное в противоположную сторону. Паровые турбины спроектированы для вращения только в одном направлении, что делало этот метод крайне неэффективным. Кажется, никто больше не предпринимал подобных попыток. Беллуццо участвовал в разработке локомотива типа 2-8-2, построенного Эрнесто Бреда в 1931 году. В нем использовались четыре турбины в схеме многократного расширения. Американский патент Беллуццо того периода демонстрирует, как турбина вращала промежуточный вал через редуктор, расположенный перед ведущими колесами локомотива. Этот локомотив так и не был полностью достроен. В 1933 году локомотив FS Class 685 2-6-2 стал объектом необычного эксперимента, в ходе которого был удален поршневой двигатель и заменен турбиной, при этом остальная конструкция локомотива осталась без изменений. Однако испытания оказались неудачными, поскольку его характеристики значительно уступали обычным локомотивам серии 685; турбина вскоре вышла из строя, что положило конец этой попытке. В 1936 году локомотив был переоборудован обратно на обычный поршневой двигатель.

Швеция

Шведский инженер Фредерик Люнгстрем разработал ряд паровых турбинных локомотивов, некоторые из которых оказались весьма успешными. Его первая попытка в 1921 году представляла собой довольно необычную машину. Три движущие оси располагались под тендером, а кабина и котел – на бегунковых колесах. В результате лишь небольшая часть веса локомотива приходилась на тяговые колеса. В середине 1920-х годов Люнгстрем запатентовал фрикционный привод для паротурбинного локомотива. Вторая конструкция, представлявшая собой локомотив типа 2-8-0, была похожа на успешную грузовую модель. Построенные в 1930 и 1936 годах компанией Nydqvist & Holm, эти локомотивы заменили обычные на железной дороге Grängesberg-Oxelösund. Конденсатор не устанавливался, так как его сложность нивелировала термодинамические преимущества. Колеса приводились в движение промежуточным валом. Эти локомотивы были списаны только в 1950-х годах, когда линия была электрифицирована. Было построено три локомотива этого типа, все три из которых сохранились. В настоящее время их можно увидеть в Железнодорожном музее Гренгесберга, два (71 и 73) принадлежат Grängesbergbanornas Järnvägsmuseum (GBBJ), а третий (72) – Шведскому железнодорожному музею.

Швейцария

Швейцарская фирма Zoelly построила турбинный локомотив в 1919 году. Это был локомотив типа 4-6-0, оснащенный конденсатором. Он был оборудован наддувом холодным воздухом, подаваемым на колосниковую решетку топки, а не вытяжным вентилятором в дымовой коробке. Это позволило избежать сложности изготовления вентилятора, способного выдерживать горячие, коррозионные газы, но привело к новой проблеме. Топка находилась под избыточным давлением, и горячие газы и угли могли вырываться из дверцы топки при ее открытии во время работы наддува. Эта потенциально опасная конструкция в конечном итоге была заменена вытяжным вентилятором в дымовой коробке.

Соединенные Штаты

В последние годы эпохи паровозов, Локомотивный завод Болдуина предпринял несколько попыток разработки альтернативных технологий, отличных от дизельных двигателей. В 1944 году Болдуин построил единственный экземпляр локомотива класса S2 для Пенсильванской железной дороги, поставив его в сентябре 1944 года. Это был самый большой в мире локомотив с прямой передачей мощности от паровой турбины и имел колесную формулу 6-8-6. Изначально он проектировался как 4-8-4, но из-за дефицита легких материалов во время Второй мировой войны, S2 потребовал дополнительных направляющих и поддерживающих колеса. Под номером 6200 в парке PRR, S2 развивал максимальную мощность 6900 л.с. (5,1 МВт) и мог достигать скорости более чем. Вместе с тендером, локомотив имел длину около 37 метров (123 фута). Паровая турбина была модифицированной морской установкой. Хотя система передачи была проще генератора, она имела роковой недостаток: турбина была неэффективна на низких скоростях. При скорости ниже примерно 64 км/ч турбина потребляла огромное количество пара и топлива. Однако на высоких скоростях S2 мог практически без усилий и эффективно тянуть тяжелые составы. Плавный турбинный привод оказывал значительно меньшее воздействие на пути, чем обычный поршневой локомотив. Однако низкая эффективность на малых скоростях обрекла эту турбину на неудачу, и с появлением дизель-электрических локомотивов, больше S2 не строилось. Локомотив был списан в 1949 году и разобран в мае 1952 года.

Великобритания

Турбина Рида Рамзи, построенная Северной британской локомотивной компанией в 1910 году, имела колесную формулу 2B+B2 (4-4-0+0-4-4). Пар вырабатывался в стандартном локомотивном котле с перегревом и подавался на турбогенератор. Отработанный пар конденсировался и возвращался в цикл небольшими вспомогательными турбинными насосами. Обмотки двигателей были установлены непосредственно на четыре ведущие оси. Позднее локомотив был переоборудован в турболокомотив с прямым приводом, как указано выше. Турбина Армстронга Уитворта, построенная в 1922 году (изображение справа), имела колесную формулу 1C+C1 (2-6-6-2). Она была оснащена роторным испарительным конденсатором, в котором пар конденсировался, проходя через вращающийся пучок труб. Трубы увлажнялись и охлаждались за счет испарения воды. Потери воды на испарение были значительно меньше, чем при отсутствии конденсатора. Поток воздуха в конденсаторе был вынужден проходить по сложному пути, что снижало эффективность конденсатора. Локомотив был перетяжелен и демонстрировал плохие эксплуатационные характеристики. В 1923 году он был возвращен и отправлен на слом.