XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

За многолетнюю историю формирования людской культуры народом основано большое число промышленных концепций и предметов (приборов, автомобилей, агрегатов, устройств и т. п.), какие в наше время период оформляют техносферу, важную среди народом и природой. Присутствие этом каждое техническое устройство формироваться в собственное период с целью исполнения конкретной функции.

Во все без исключения периода формирования людей в деятельности лица согласно удовлетворению собственных нужд была автотранспортная роль, т. е. передвижение тел, объектов, веществ и наиболее себе в месте. С целью исполнения данной функции человеком основано колоссальное количество чередующихся в времени все без исключения наиболее результативных промышленных средств с целью транспортировки - с простых катков вплоть до современных машин и локомотивов, самолетов.

На базе высококачественно рассмотрения стадий «существования» промышленных предметов конкретного многофункционального направления и их узкопотребительских свойств возможно совершить заключение о этом, то что создаваемые человеком промышленные предметы с временем меняются, улучшаются, т. е. формируются . И данная процедура формирования содержит абсолютно конкретную направленность во времени, таким образом равно как совершается около влиянием желания лица к удовлетворению собственных регулярно возрастающих нужд (равно как согласно их числу, таким образом и согласно качеству). Несомненно, данное характерно и этому типу промышленных предметов, равно как энергосиловая монтаж независимого локомотива. Она в протяжение 2-ух веков формирования жд автотранспорта и автономных локомотивов (паровоз - тепловоз - турбовоз) кроме того менялась (паровая поршневая машина, паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, турбинный двигатель), кроме того развивалась .

Не порождает сомнения, то что эффективность и результативность современного творчества экспертов и инженеров согласно совершенствованию имеющейся и созданию новейшей технической в существенной уровня находятся в зависимости с всесторонности учета выделиться развития техники в прошлом, с познания законов её формирования, перемены (усовершенствования) критериев свойства, какие имеют все шансы являться определены в базе рассмотрения события ранее состоявшегося формирования технических объектов.

Изучение развития техники дает возможность раскрыть и описать благоприятный опыт успешного постановления возникавших ранее вопросов инженерного творчества, а затем применять его в постановлении нынешних вопросов. Исследование конструктивной эволюции дает возможность понять в деталях и рассмотреть процесс извлечения видных изобретений, основательно изучить работу и опыт видных конструкторов и экспертов. Исследование развития предоставляет базу с целью развития закономерностей структуры и формирования технической, понимание каковых упрощает пребывание новейших, результативных и многообещающих промышленных заключений.

Использование тепловых двигателей в в качестве силовой установки

Рисунок 1. Паровой двигатель

Эффективность тепловых двигателей в качестве силовой установки расценивается совокупностью последующих характеристик: мощность, коэффициент полезного действия, удельный расход горючего в единицу вырабатываемой энергии и его цена, размеры и вес, регулируемость,

динамические свойства, вредоносное влияние в окружающую среду. Более чем за полуторавековой промежуток использования коэффициент полезного действия паровоза увеличился с 2 - 3 % вплоть до 9 - 12 % за счет перемены характеристик паросиловой конструкции (увеличения давления и температуры пара, использования пароперегревателей и компаундного расширения, улучшения парораспределения, использования конденсации пара и др.). При этом постоянным сохранилось промышленное разрешение - рабочее тело (пар) получалось из воды, на что тратилась существенная часть выделяющейся энергии при сжигании в топке горючего, что напрасно выбрасывалась в атмосферу с отработавшим паром. Это был основной недостаток используемого в паровозе технического решения.

Увеличение результативных характеристик паровоза во многом зависит от давления и температуры пара. Температура пара обусловливается площадью колосниковой решетки, находящейся в топке, и поверхностью нагрева парового котла. Синхронное повышение данных характеристик и использование конструктивных дополнений в паросиловой энергоустановке предоставило рост КПД паровоза.

Использование двигателей внутреннего сгорания в качестве силовой установки

Рисунок 2. Дизельный двигатель

Переход от паровозов к тепловозам осуществлен за счет смены паросиловой конструкции двигателем внутреннего сгорания (дизелем), в коем использовано новейшее промышленное разрешение теплового двигателя - получение рабочего тела из воздуха и продуктов сгорания горючего в рабочей полости цилиндра. При этом отсутствуют утраты энергии в процесс «жидкость - пар», т. е. теплота расходуется только в увеличение температуры и давления рабочего тела, т. е. его возможной энергии. Это позволило в несколько раз увеличить КПД тепловоза по сравнению с КПД паровоза. В дальнейшем за счет использования ряда полезных усовершенствований, направленных в усовершенствование характеристик (увеличение степени сжатия, использование прямого впрыска горючего с целью внутреннего смесеобразования, самовоспламенения рабочей смеси, разных методик наддува и др.), коэффициент полезного действия тепловозов был завышен с 0,15 - 0,20 вплоть до 0,35 - 0,4. Проследим изменение характеристик теплосиловой конструкции тепловозов советской и российской постройки.

Повышение эффективных показателей тепловоза во многом зависит от степени сжатия и давления наддува. Увеличение этих параметров и применение конструктивных дополнений в дизельной энергоустановке дало снижение удельного эффективного расхода топлива с 224 до 191,5 г/кВт-ч.

В ходе развития тепловозной тяги к настоящему времени выявился дефект тепловозов -ограничение дальнейшего роста агрегатной мощности дизеля по габаритам и массе, что вызвано в основном наличием у него возвратно-поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма. Недостатком является и необходимость использовать высококачественное, дорогостоящее топливо. Эти дефекты могут быть устранены заменой дизеля на газотурбинный двигатель (тоже разновидность теплового двигателя), в котором использованы такие технические решения, как сжигание топлива в отдельной камере сгорания и преобразование потенциальной энергии рабочего тела в механическую энергию в каналах между лопатками вращающегося ротора . Это позволяет значительно снизить массу и габаритные размеры энергосиловой установки, уменьшить ее сложность и существенно снизить трудоемкость и стоимость технического обслуживания и ремонта, применять более дешевые сорта топлива.

Максимум КПД газотурбинного двигателя находится в области 70 - 80 %-ной мощности, что в наибольшей степени соответствует закону использования мощностей магистральных локомотивов в условиях эксплуатации. Выбор схемы и конструкции газотурбинных двигателей целесообразно увязывать с назначением, условиями работы локомотива, с возможностями отечественного газотурбостроения. Для газотурбовозов грузовой службы необходимо стремиться к достижению максимально возможного (на уровне дизельного) КПД даже за счет серьезного усложнения и удорожания машины.

В 60-х гг. в СССР возник интерес к атомным локомотивам. Таких локомотивов и сегодня в мире еще

нет, но проработки проектов выполняются в наше время и на самом современном уровне. Принцип действия локомотива с ядерной силовой установкой не отличается от принципа действия всех автономных локомотивов. Ядерная силовая установка - атомный реактор - является тепловым генератором, т. е. источником тепловой энергии, которая выделяется в процессе цепной реакции деления (распада) атомов ядерного топлива. При помощи теплоносителя эта энергия так же, как на АЭС, должна быть передана в теплообменнике рабочему телу, которое в каком-то тепловом двигателе, в свою очередь, преобразует свою тепловую энергию в механическую работу, которую далее можно использовать для создания силы тяги.

При реализации этого принципа возникает необходимость решения ряда сложных технических задач: определение вида рабочего тела, невозможность быстрого изменения нагрузки, значительная масса биологической защиты реактора. К тому же, пока нет ясности, где на железных дорогах мира можно эффективно использовать преимущества ядерной силовой установки, дающей возможность локомотиву длительно находиться в автономном и безостановочном движении.

Резкое усиление требований к безопасности ядерной силовой установки, экологической чистоте и абсолютной радиационной защите, трудно обеспечиваемых в условиях напряженной работы железнодорожного транспорта, делает в настоящее время задачу создания атомного локомотива пока не актуальной.

Развитие криогенной техники и ее изучение специалистами локомотивостроения в процессе создания газотепловозов позволили рассматривать в качестве перспективных энергетических установок для автономных локомотивов некоторые источники энергии, еще не достигшие стадии промышленного применения, например, топливные элементы . Локомотив на топливных элементах теоретически мог бы иметь определенные преимущества по сравнению с обычным тепловозом - отсутствие теплового генератора и связанных с преобразованием в нем потерь энергии. Однако для энергетической установки на топливных элементах необходимы значительно большие размеры охлаждающих устройств, чем у тепловозного дизеля. Требуются аккумуляторы энергии для обеспечения собственных нужд локомотива, прицепной криогенный тендер для запаса жидкого водорода и т. п. Выполненные расчеты показали, что локомотив такого типа не может иметь очевидных технико-экономических преимуществ по сравнению с обычным тепловозом - сокращение затрат на топливо в эксплуатации будет перекрываться в приведенных расходах значительно большей стоимостью самого локомотива и увеличением затрат на его обслуживание.

Таким образом, развитие энергосиловых установок автономных локомотивов за два века связано с изменениями технических решений в рамках тепловых двигателей (паровая машина - двигатель внутреннего сгорания - газотурбинный двигатель) и более многочисленными конструктивными изменениями в рамках каждого технического решения, направленными на улучшение параметров.

Литературный список

1. Половинкин, А. И. Основы инженерного творчества [Текст]: Учебное пособие / A. И. Половинкин. - М.: Машиностроение, 1988. - 368 с.

2. Четвергов, В. А. Основы методологии научно-технической деятельности [Текст] /B. А. Четвергов / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2008. - 78с.

3. Локомотивные энергетические установки [Текст]: Учебник / А. И. Володин, В. З. Зюба-нов и др.; Под ред. А. И. Володина. - М.: Желдориздат, 2002. - 718 с.