На луганском тепловозостроительном заводе в 1969 году появились опытные образцы двух локомотивов, открывших новое семейство серии «ТЭ109». На них имелись шесть осей, они были оборудованы четырёхтактными дизелями с электрической передачей, в качестве питания использовался переменно-постоянный ток. Их кузовная часть представляла собой цельную конструкцию, для изготовления которой применили алюминиевый сплав.
Локомотив оборудовали бесчелюстными тележками позаимствованных с тепловоза, относящегося к серии «2ТЭ10Л». Этот тепловоз обладал передаточным числом тягового редуктора, которое равнялось 15 : 68 = 1 : 4,53. Для работы с пассажирскими составами необходимо применять на редукторе передаточное число 20 : 63 = 1 : 3,15. Зубчатые колёса для модуля имели одиннадцать миллиметров. Общая длина тепловоза между осями составляла двадцать тысяч сто семьдесят миллиметров, длина колёсной базы пятнадцать тысяч пятьсот пятьдесят миллиметров.
Четырёхтактная, V-образная силовая установка была оснащена шестнадцатью цилиндрами, по документам двигатель сертифицирован, как «1-5Д49», его номинальная мощность достигала трёх тысяч лошадиных сил, изготавливался на коломенском заводе. Вал вращался с частотой - одна тысяча оборотов в минуту. Поршневой ход и цилиндровый диаметр имел значение, равное двумстам шестидесяти миллиметрам. Уже в то время силовой агрегат обладал непосредственным топливным впрыском и газотурбинным наддувом. «1-9ДГ» - таким номером по документам прошла сертификация дизельного генератора. Общий вес силового агрегата, включая под дизельную раму был равен семнадцати тысячам пятистам килограммам.
Тепловоз «ТЭ109» - это та машина, на которой в первый раз советские конструкторы применили переменно-постоянный ток для электрической передачи. Проект создавался специалистами «Электротяжмаша» харьковского завода.
Мощность тягового генератора «ГС-501», использующего переменный ток, равнялась двум тысячам киловаттам. На данном агрегате имелись принудительная вентиляция и независимое возбуждение, представляя собой синхронизированную машину с двенадцатью полосами. Генераторный статор обладал двумя трёхфазными обмотками, которые были сдвинуты по отношению к друг другу на тридцать электрических градусов. Роторная обмотка была запитана возбудителем «ВС-650» с применением выпрямителя. Управление осуществлялось с помощью тиристоров.
В качестве токового выпрямителя в оборудовании стоял агрегат «УВКТ-2», в нем находились выпрямительные мосты в количестве двух единиц, соединённых параллельным образом.
В тепловозном оборудовании имелись четырёх полосные тяговые электродвигатели «ЭД-112А», их номинальная мощность равнялась двумстам девяносто четырём киловаттам. Вес одного электродвигателя равнялся трём тысячам килограммам. Вентиляционное обслуживание производилось принудительным образом. Для того, чтобы применить ослабление возбуждения тягового электродвигателя, были предусмотрены две ступени – это шестьдесят три процента и тридцать девять процентов.
Тепловозное управление осуществлялось с помощью контроллера «КВ-1552» в виде штурвала и реверсивной рукоятки, имевшей пятнадцать положений, включая нулевую позицию.
На описываемом локомотиве, отечественного производства, впервые применили одноконтурную систему охлаждения. При этом, охлаждались цилиндровые втулки и крышки, турбокомпрессорный корпус, масло, проходящее через теплообменник, воздух, проходящий через воздухоохладитель. подогревалось топливо, поступавшее в топливный подогреватель, отапливалась кабина с помощью воды, следующей по единому циркуляционному кругу. Охлаждение воды происходило в водно-воздушных секциях, которые установили V-образной холодильной шахте.
Отечественная практика тепловозостроения впервые использовала на данной локомотивной модификации применение механического привода от дизельного агрегата на вспомогательном оборудовании, установив его на тепловозной раме. Такая конструктивная находка позволила отказаться от применения валовых приводов, масляных трубопроводов и распределительных редукторов, подведённых к ним.
Локомотив под серийным номером «001» обладал длительной тяговой силой, равной параметру - 24.600 кгс, при этом скорость была двадцать четыре километра в час.
Показатель конструкционной скорости не превышал ста километров в час. Общий тепловозный вес равнялся ста двадцати тоннам, топливный запас составлял три тысячи четыреста восемьдесят килограмм, бункер воды равен одной тысяче двумстам пятидесяти килограммам, запасы масла составляли одну тысячу килограмм и запасы песка равнялись четырёмстам пятидесяти килограммам.
«ТЭ109» с серийным номером «002» предназначался для работы с пассажирскими поездами. В период проведения испытательных работ достигнут скоростной уровень показателя, равный ста сорока километрам в час. Заменив колёсные пары, эксплуатация данного локомотива могла производится на рельсовой колее, равно одной тысяче четырёмстам тридцати пяти миллиметрам.
Машины «ТЭ109» в количестве двух единиц было проведены через сравнительный испытательный цикл вместе с двухсекционным локомотивом «2ТЭ40», но по условиям прохождения таких работ, в рабочем состоянии должна была находится только одна его секция. В этих испытаниях принимал участие и локомотив серии «2ТЭ10Л». Работы проводили на железнодорожных путях Одессо-Кишинёвской дороги. Создав одинаковые условия в период проведения испытаний, лучшего результата добились машинисты тепловозов «2ТЭ40» и «ТЭ109». Они сожгли на одиннадцать процентов меньше топлива по сравнению с локомотивом модификации «2ТЭ10Л».
Специалисты ворошиловоградского завода в последующем проводили усовершенствование конструкции локомотива «ТЭ109». В серийное производство эта тепловозная модификация так и не поступила.
