Большой передел мира

Газотурбовоз ГТ1h-002 с грузовым поездом из 77 вагонов



Газотурбовоз ГТ1h-002 и тепловоз 2ТЭ116-1428 с грузовым поездом весом 9000 тонн



во время испытаний 2016 года локомотив уже подтвердил экономическую выгоду эксплуатации в условиях неэлектрифицированных железных дорог общего пользования в районах Сибири и Крайнего Севера для вождения грузовых поездов повышенной длины и массы. Тогда же был зафиксирован рекорд по массе состава, проведенного ГТ1h-002 – около 9000 тонн – на дальность почти 700 километров на одной заправке сжиженным природным газом.

Газотурбовозы пытались ввести в эксплуатацию неоднократно — в Швейцарии, Франции, США, Германии, даже в СССР. Большинство проектов пришлось на 1960-е годы — и все они потерпели неудачу по экономическим причинам. Газотурбовоз в несколько раз дороже тепловоза или электровоза из-за высокой цены турбины и сопутствующего оборудования. Чтобы такой проект окупил себя, стоимость эксплуатационных материалов, в частности топлива, должна составлять максимум 50−55% от стоимости дизеля. Как только цена на эксплуатационные материалы растет — машина становится неконкурентоспособной. В старых проектах в качестве топлива использовались нефтяные дистилляты, которые по стоимости были немногим дешевле ДТ.

Испытания газотурбовоза ГТ1−001 закончены. Это первый в мире турбовоз, работающий на сжиженном природном газе (СПГ). Запасов последнего в России много, да и стоит он недорого — на этом и основана уверенность коломенцев в успехе предприятия. Преимущества использования сжиженного природного газа перед сжатым газом — значительно меньший объем, занимаемый топливом на борту, меньшая степень опасности и более высокая теплотворность, чем у пропан-бутановых смесей. Помимо того, при своих небольших размерах ГТ1 — один из самых мощных существующих локомотивов, способный заменить пять тепловозов. А примененная в нем система управления тормозами по радиосвязи открывает возможности для создания интеллектуальных тяжеловесных поездов.

Первый грузовой состав массой 3000 т ГТ1−001 провел еще в 2008 году. Машину строили на свой страх и риск — опыт в конструировании газотурбовозов минимален не только в России, но и в мире. По мере совершенствования конструкции и проведения новых испытаний нагрузку на локомотив увеличивали, и в январе 2009 года ГТ1−001 поставил рекорд, официально занесенный в Книгу рекордов Гиннесса: он провел по экспериментальному кольцу ВНИИЖТ в Щербинке поезд общей массой 15 000 т, то есть 159 вагонов.

Много это или мало? Если брать поезда, ведомые несколькими локомотивами, то мало. Рекорд самого тяжелого состава держится с 2001 года, когда австралийцы умудрились составить поезд из 682 вагонов, груженных железной рудой (общая масса 82 000 т), и восьми локомотивов. Но если говорить об одном локомотиве — то это безусловно рекорд. Вряд ли газотурбовозу придется транспортировать подобные грузы в реальных условиях, но он на это способен — доказано на практике. Правда, руководитель проекта, главный инженер Научно-исследовательского и конструкторско-технологического института подвижного состава Владимир Руденко утверждает, что это еще не предел. «Собственно, ГТ1 работал на средней мощности, — говорит Руденко. — Он сможет провести состав весом и в 20 000 т».

Перевозочный процесс на автономной тяге всегда требовал мощного локомотива. Проблема состояла в том, что дизельный двигатель с мощностью выше 3 500 кВт был бы слишком тяжелым, поэтому такой тепловоз превысил бы допустимые нагрузки на ось и попросту не вошел бы в требуемые габариты. Выходом стало применение достаточно легкой и компактной энергетической установки — газовой турбины. Мощность газотурбовоза — 8300 кВт. Это втрое больше, чем у стандартных тепловозов, используемых сегодня. Для того чтобы провести тот самый рекордный поезд массой 15 000 т, пришлось бы соединить не менее пяти секций магистральных тепловозов. Конечно, это не значит, что ГТ1 будет водить только сверхтяжелые поезда. РЖД собираются использовать его в сибирской части России, где довольно много неэлектрифицированных веток и даже легкие составы требуют экономичных и мощных локомотивов.

Испытания показали, что даже при полной нагрузке (не рекордной, конечно, а проектной) газотурбовоз может развивать скорость 100 км/ч. А 17-тонная емкость для сжиженного природного газа обеспечивает локомотиву 750 км пробега между заправками. «Он рассчитан на эксплуатацию, в частности, на БАМе, где много затяжных подъемов с большим уклоном. Сейчас для проведения обычного грузового поезда весом 6 000 т там требуется три тепловоза, что довольно неудобно», — говорит Руденко.

Тут стоит отметить, что мощность современных серийных электровозов может быть гораздо выше, чем 8 300 кВт. Вопрос стоял именно в постройке мощного локомотива, независимого от электрической сети. В связи с этим Руденко отметил и еще одно преимущество ГТ1: «По сути, мощность газотурбовоза стала такой же, как и у серийного грузового электровоза. Это позволяет железнодорожникам унифицировать вес поездов. При передаче состава с электрифицированных участков пути его не придется расформировывать под тепловозную тягу, как мы вынуждены делать сейчас».

Хотя ГТ1−001 стоимостью 200 млн руб. вдвое дороже любого тепловоза, его жизненный цикл на 20% дешевле, так что инвестиции окупятся примерно за девять лет. Во-первых, дизельное топливо почти вдвое дороже природного газа даже с учетом его сжижения и транспортировки на большие расстояния. Уже в этом отношении газотурбовоз оказывается на 30−40% экономичнее тепловозов. К тому же использовать машину железнодорожники намерены в основном в Сибири, где дешевого газа хоть отбавляй. Газотурбинный двигатель работает на более щадящих режимах и имеет меньше трущихся деталей, что увеличивает его ресурс и делает газотурбовоз дешевле в ремонте и обслуживании.

«За последние 30 лет из-за старения техники трудоемкость обслуживания тепловозов увеличилась на 30−50%, — говорит Владимир Руденко. — В противовес этому надежность авиационных газотурбинных двигателей позволяет довести их наработку до 30 000 часов без разборки двигателя. А в локомотивном варианте ГТД эта величина может быть существенно большей. Трудоемкость обслуживания и эксплуатации сводится к заправке топливом и диагностированию, так как турбины не подлежат ремонту в условиях депо».

Есть и еще одна «политическая» причина, которая делает газотурбовоз перспективной разработкой. Это европейские экологические нормы. Да, электровозы проблем с экологией почти не имеют, а вот тепловозы… Львиная доля подвижного состава РЖД в 2012 году перестанет соответствовать нормам, вводимым Евросоюзом. А ГТ1 будет их опережать.

В тяговой секции ГТ1 помещены тяговый и вспомогательный электрические генераторы, а также силовой блок с газотурбинным двигателем. В бустерной секции находится криогенная емкость с запасом сжиженного природного газа. При работе газотурбинного двигателя сжиженный природный газ, хранящийся под давлением до 6 атм, подается в тяговую секцию через гибкое соединение с помощью криогенного насоса высокого давления. Там он проходит через теплообменник и газовый ресивер и попадает в камеру сгорания, которая и обеспечивает работу двигателя. Процесс полностью автоматизирован: контроль и управление системами хранения, регазификации, подачи газа, газовой турбиной и электрооборудованием во всех режимах работы локомотива осуществляют микропроцессорные системы.

Газотурбинный двигатель НК-361 мощностью 8 300 кВт для ГТ1−001 изготовил СНТК им. Н. Д. Кузнецова. Его КПД — порядка 30%. Для нового двигателя была найдена довольно эффективная схема регазификации, при которой сжиженный газ превращается в газообразное состояние в теплообменнике, установленном непосредственно в выхлопном патрубке турбины, без использования промежуточных теплоносителей. В принципе КПД газовой турбины при использовании современных материалов и наработок можно довести примерно до 40% — но это пока что работа на будущее. Конечно, колеса приводятся не напрямую от газовой турбины (слишком высока инерционность такого двигателя), а через электродвигатели, ток для которых вырабатывается за счет энергии ГТД. Это стандартная схема, которая применяется на всех газотурбовозах. Базой для газотурбовоза послужил серийный электровоз ВЛ15 — от него взяты рама и тележки.

Технические характеристики:

Длина — 2 × 21 500 мм
Колея — 1520 мм
Конструкционная скорость — 100 км/ч
Мощность газотурбинного двигателя — 11 284 л.с.
Мощность — 8300 кВт
Служебная масса — 2×180 т
Тип передачи — электрическая
Запас хода — 750 км