Сейчас в России эксплуатируются электровозы переменного однофазного тока (питающее напряжение – 25 000 вольт и частота – 50 Гц), а также постоянного тока (напряжение – 3000 вольт). Это мощные грузовые локомотивы отечественного производства серии ВЛ и чехословацкие пассажирские серии ЧС. Пассажирский электровоз серии ЧС4 мощностью 4920 кВт развивает скорость до 160 км/ч, а электровоз серии ВЛ85 мощностью 9400 кВт – до 110 км/ч.
Магистральный двухсистемный пассажирский электровоз ЭП20
Электровоз ВЛ85 – мощнейший в мире локомотив на электротяге. Своему рождению он обязан БАМу. Для успешной эксплуатации Байкало-Амурской магистрали требовался мощный надежный электровоз. Теоретические исследования ходовой части нового электровоза велись в Научно-исследовательском проектно-конструкторском и технологическом институте электровозостроения (ВЭлНИИ) и Ростовском-на-Дону институте инженеров железнодорожного транспорта (РИИЖТ). В результате решили проектировать 12-осный электровоз, у которого каждая из двух секций располагалась на трех 2-осных тележках с индивидуальным электроприводом.
Проектирование электровоза ВЛ85 вел заместитель директора ВЭЛНИИ В.Я. Свердлов. В мае 1983 года построили первый образец, летом – второй. После опытного пробега на 5000 километров ВЛ85—001 предъявили МПС для испытаний, завершившихся вполне успешно.
Впервые в отечественной практике на ВЛ85 установили автоматизированную систему управления (АСУ), построенную на основе микропроцессоров, позволившую плавно разгонять состав до требуемой скорости с заданным током тяговых электродвигателей. После этого АСУ поддерживала постоянную скорость на ровном пути, а на спусках выполняла электрическое притормаживание. Кроме того, она контролировала рекуперацию, торможение до полной остановки, распределение усилия при двойной тяге.
По сравнению с ВЛ80Р расход энергии на новом локомотиве уменьшился больше чем на треть, и почти в 1,2 раза возрос ее возврат в контактную сеть при режиме рекуперации.
Некоторые другие технические данные электровоза ВЛ85 таковы. Сцепной вес – 288 т. Длина – 45 м, ширина – 3,16 м, высота – 5,19 м. Усилие тяги при скорости 49,1 километра в час – 74 т. Локомотив способен нормально работать при температуре 60 градусов ниже нуля, а его двигатель имеет мощность 11 400 киловатт, то есть 15 287 лошадиных сил.
Ныне в нашей стране создается магистральный двухсистемный пассажирский электровоз ЭП20 нового поколения, который предназначен для вождения пассажирских поездов на железных дорогах колеи Российской Федерации шириной 1520 мм, электрифицированных на постоянном токе напряжением 3 кВ и на переменном токе напряжением 25 кВ промышленной частоты 50 Гц. Электровоз предназначен для эксплуатации на существующих и подлежащих реконструкции скоростных железнодорожных магистралях с максимальной разрешенной скоростью движения до 200 км/ч.
Новый электровоз обеспечит ведение поезда из 24 вагонов со скоростью 160 км/ч, и поезда из 17 вагонов со скоростью 200 км/ч на прямых участках пути. Для сравнения – серийно выпускаемый электровоз серии ЭП1М имеет максимальную скорость 140 км/ч, и обеспечивает ведение на этой скорости состава из 19 вагонов.
Один из самых быстрых современных электровозов в Испании
В основу конструкции нового электровоза заложен принцип модульности. Модули, узлы и агрегаты которых максимально унифицированы для разных типов электровозов, могут затем составлять различные модификации и модели электровозов.
Кстати, именно локомотиву на электрической тяге выпала честь тащить самый длинный в мире пассажирский поезд, который состоял из 70 вагонов, имел длину 1732 метра и весил 2786 тонн. 27 апреля 1991 года он за 1 час 11 минут и 5 секунд сумел проделать путь длиною в 62 км от Гента до Остенда. Этот состав принадлежал Бельгийской национальной железнодорожной компании.
Электровозы же стали и первыми рекордсменами скорости. Немецкий электровоз Симесн-унд-Гальске установил подряд несколько рекордов еще в 1903 году, вплотную приблизившись к рубежу 100 км/ч.
Ныне европейский рекорд скорости принадлежит испанцам. Их электрический состав развил в 2008 году скорость 369 км/ч.
Когда работает турбина…
Многие конструкторы полагают, что локомотивом будущего, наряду с электровозом, может стать и тягач с газовой турбиной – газотурбовоз. Над созданием таких транспортных машин уже не одно десятилетие трудятся конструкторы и изобретатели, как в нашей стране, так и за рубежом. И в настоящее время тепловозы новейшего типа, не имеющие поршневых двигателей, начинают выходить из экспериментальных цехов и лабораторий на стальные магистрали.
Газовую турбину не напрасно называют двигателем близкого будущего. Ныне такие турбины устанавливаются на промежуточных станциях газопроводов. На всех крупных авиалиниях страны летают самолеты с газотурбинными двигателями. Пришло для газотурбины время занять почетное место и на железных дорогах.
Работы по созданию отечественного газотурбовоза начались, пожалуй, с исследований профессора Н.И. Белоконя, который в 60-е годы ХХ века предложил газотурбинный тепловоз, работающий на дешевых сортах угля и на торфе. Топливо в этом тепловозе должно сгорать в особом устройстве, напоминающем топку парового котла. Но «котел» локомотива отличается тем, что нагревает не воду для превращения ее в пар, а обычный воздух. Компрессор всасывает его прямо из атмосферы и нагнетает в нагревательную камеру под давлением в 6 атмосфер. При быстром нагревании воздух сильно расширяется и может вращать ротор турбины, ударяя в его лопатки.
Система как будто чрезвычайно проста и надежна. Но применения никогда не получит, так как она недостаточно экономична. Коэффициент полезного действия такого газотурбовоза получился бы ниже, чем у обыкновенного паровоза.
Есть, правда, путь к повышению эффективности установки – нагревать воздух в котле не на сотни, а на тысячи градусов. Но практически это осуществить очень трудно – слишком дорогой и ненадежной получится установка. Поэтому профессор Белоконь предложил более практичную систему.
Воздух нагнетается компрессором в котел. Затем он попадает в отдельную камеру сгорания, куда впрыскивается немного жидкого топлива. Оно воспламеняется, и давление газовоздушной смеси резко возрастает, а температура увеличивается до предела, который еще могут выдержать лопатки турбины. Раскаленная газовая смесь устремляется на лопатки с огромной скоростью. Турбина вращает генератор. Электрический ток из него питает тяговые моторы, а также и компрессор, подающий в котел для нагревания сжатый воздух.
Ныне разработаны еще более совершенные газовые турбины. По словам главного инженера ОАО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (ВНИКТИ), кандидата технических наук В.Ф. Руденко, создатели нового газотурбовоза ГТ1, двигатель которого впервые в мире начал работать на сжиженном природном газе, основан на аналогии с опробованным уже экспериментальным двигателем НК-88 разработки ОКБ Н.Д.Кузнецова, работающем на альтернативных видах топлива (сжиженных водороде и природном газе).
В процессе изготовления газотурбинного двигателя, который получил индекс НК-361, были проведены испытания ряда узлов, в том числе камеры сгорания для обеспечения запуска на холодном газе. В конце 2006 года силовая установка газотурбовоза была испытана с полной нагрузкой.
Во время испытаний было проведено 73 запуска газо-турбинного двигателя, которые подтвердили соответствие экспериментальных данных теоретическим расчетам. Также было определено, что выбросы оксидов азота, оксидов углерода и углеводородов значительно ниже допустимых по санитарным нормам значений.