Изображение паровоза кликабельно
Паровоз использует энергию пара высокого давления. Этот перегретый пар толкает ряд поршней, которые с помощью соединительных тяг (рисунок ниже) заставляют вращаться колеса. Относительная простота конструкции и надежность паровоза сделали его самым популярным средством передвижения со времени появления первых локомотивов в начале 1800-х годов и до конца второй мировой войны.
Хотя паровозы и сейчас широко используются в Индии и Китае. Однако их главным недостатком является низкий коэффициент полезного действия: даже в лучших паровозах не более 6 процентов энергии, выделяющейся при сгорании угля, переходит в энергию движения.
В современном паровом двигателе уголь на сгорание подается автоматически из тендера в топку. Где он и сгорает при температуре около 2550 градусов по Фаренгейту (что соответствует 1400°С). Холодная вода, запасы которой тоже хранятся в тендере, дважды нагревается в паровом котле и превращается в перегретый пар высокого давления. Этот пар, попадая затем в цилиндры, двигает поршни и заставляет крутиться колеса поезда. Часть пара, остывая, превращается снова в воду и возвращается в паровой котел. Остальной пар выбрасывается наружу через дымовую трубу.
Сохранение тепла
Пар, который отработал на поршнях, все еще горячий. В некоторых конструкциях паровозов часть отработанного пара используется для предварительного подогрева холодной воды - перед тем, как эта вода поступает в паровой котел.
Увеличение температуры
Теплая вода, находящаяся внутри водотрубного котла, проходит по трубам, окружающим топку, и превращается в пар. Затем этот пар по другим трубам проходит уже внутри топки.
Поршень, приводимый в движение паром
Открывается левый поршневой клапан, и пар под высоким давлением входит в цилиндр (как показано на (1) рисунке сверху). Пар заставляет поршень двигаться направо и поворачивает колесо (2.). Затем левый клапан закрывается. Открывается правый клапан, и свежий пар попадает на другую сторону поршня (3). Теперь под действием энергии пара поршень возвращается в первоначальное положение, заставляя колесо к этому времени проделать один оборот (4). Дальше все повторяется сначала.
Паровоз состоит из трех основных частей, объединенных в одно целое: котла, паровой машины и экипажа. К экипажу обычно постоянно прицеплен тендер, который служит для хранения запасов топлива, воды, смазки и обтирочных материалов.
Принцип работы паровоза заключается в следующем. В части котла, называемой топкой А (рис. 1), сжигается топливо. Газы сгорания топлива, горящего на колосниковой решетке 29, огибая свод 3, опирающийся на циркуляционные трубы 2, омывают стенки огневой коробки 4 и входят через отверстия задней трубной (огневой) решетки 5 в жаровые 7 и дымогарные 6 трубы и через их стенки отдают свое тепло воде. Выйдя через отверстия передней трубной решетки 11 в дымовую коробку В, газы огибают искроотбойные щитки, проходят искрогасительную сетку 16 и выходят через дымовую трубу 15 в атмосферу. Шлак и зола проваливаются через отверстия колосниковой решетки в зольник 28. Образующийся в результате нагрева воды в котле пар собирается над водой в замкнутом стенками котла пространстве, отчего его давление постепенно растет, доходя до рабочего.
Чтобы привести паровоз в движение, открывают с помощью привода 30 регулятор 10 и пар из парового колпака 9 поступает в камеру насыщенного пара 12 коллектора пароперегревателя. Затем пар протекает по трубкам (элементам) 5 пароперегревателя, размещенным в жаровых трубах. От нагрева газами сгорания температура пара в элементах пароперегревателя повышается до 400—450°С и он с такой температурой поступает в камеру перегретого пара 13 коллектора пароперегревателя, откуда по паровпускным трубам 14 проходит к паровой машине паровоза.
В цилиндрах 20 потенциальная энергия пара превращается в механическую энергию возвратно-поступательного движения поршня 21, а связанное с ним поршневое дышло 22 и сцепные дышла 23 вращают движущие колеса 24. Отработавший в паровой машине пар выходит по паровыпускным трубам 19 в форсовой конус 18, создавая тягу газов в котле, и далее через дымовую трубу 15 вместе с газами сгорания в атмосферу.
На экипаже паровоза размещены котел, паровая машина, будка машиниста 1, а на бестендерных паровозах и баки для запасов топлива и воды. Взаимодействие движущих колес экипажа с рельсами при работе паровой машины вызывает появление силы тяги, которая по сцепке 27 между паровозом и тендером, и далее через автосцепку 26 воздействует на прицепленные к паровозу вагоны и заставляет их двигаться вместе с ним.
Для облегчения прохода и безопасности движения с высокой скоростью на кривых участках пути быстроходные паровозы снабжают передней тележкой (бегунком) 40. В паровозах большой мощности с широкой и тяжелой топкой экипаж дополняли задней (поддерживающей) тележкой 25, имеющей колеса небольшого диаметра, позволяющие разместить ее под топкой.
Паровозы, построенные для обслуживания внутризаводских и подъездных путей промышленных предприятий, тендеров не имеют (танк-паровоз).
Наглядное представление, о распределении тепла, содержащегося в расходуемом паровозом топливе, может дать диаграмма, изображенная па рис. 2.
Потери в топке 1, в среднем оцениваемые в 8%, складываются из химического и механического недогорання топлива. Химический недожог объясняется невозможностью сжечь весь углерод С в окись—-С0 2 ; некоторая часть углерода, из-за недостатка воздуха, сгорает в закись углерода СО, не отдавая всего тепла, которое может выделиться при полном окислении углерода. Механический недожог складывается из уноса несгоревшпмп мелких частиц топлива из топки с потоком воздуха и газов, а также из попадания в шлак н провала через колосники в зольник некоторого количества топлива.
Служебный расход пара 2, составляющий в среднем около 6,5%, необходим для работы паровой машины углеподатчика, разбрасывания угля по колосниковой решетке, подачи воды в котел, продувки жаровых и дымогарных труб, работы паровоздушного насоса и питания турбины электрогенератора.
Потери на внешнее охлаждение котла 3, оцениваемые в среднем в 1,5%, пояснений не требуют. В зимнее время они возрастают в связи с понижением температуры окружающего котел воздуха.
Вторую по величине потерю —с уходящими газами 4 — в среднем можно принять 17—18%. Она может быть уменьшена за счет подогрева воздуха уходящими газами.
Неизбежные утечки пара 5 через сальники и различные уплотнения принимают обычно равными 5%. Однако, при тщательном уходе за паровозом и высококачественном ремонте эти потери могут быть существенно уменьшены.
Наибольшие потери составляет тот запас тепла, который заключен в покидающем паровую машину отработавшем паре 6; они составляют 52—53% и могут быть уменьшены за счет использования некоторой части отработавшего пара для подогрева питательной воды, хорошей регулировки парораспределения в грамотного управления паровозом.
Механические потери в машине и в шейках на трение 7 оцениваются в 1,5—2%. Кроме применения подшипников качения в дышловом механизме и в буксах, эти потери можно несколько уменьшить хорошим уходом, своевременным и правильным смазыванием мест трения.
Из приведенных данных явственно выделяется большое значение экономного расходования топлива.
Архивное фото. Паровоз на поворотном круге
Схема работы паровой машины
Буквально какие-то 20 лет назад увидеть паровоз можно было запросто. Они стояли, заколоченные, на станциях. И вся инфраструктура тоже сохранялась на случай войны. Теперь все не так: нет ни паровозов (осталось, дай бог, штук триста на всю страну), ни машинистов — навыки уходят вместе с ветеранами. Как же функционирует стальная машина?
Растопка
Холодный паровоз доставляют в депо и ставят в стойло (термин, доставшейся чугунке в наследство от времен почтовых лошадей). Из котла вынимают мешочки с силикагелем — веществом, впитывающим влагу (его кладут в котел на время консервации паровоза). Отмывают соляркой детали от консервационной смазки. Доверху наполняют водой котел и тендер. Развешивают на колесах ведущие дышла и кулисные тяги. В топку сначала забрасывают негодные шпалы, дрова и доски, которые поджигают. Когда растопка запылает, осторожно бросают первые лопаты угля и ждут, когда он займется. Постепенно добрасывают еще и еще, пока вся колосниковая решетка не окажется охваченной ровным горящим слоем. Вода в котле закипит часа через три-четыре. Как только в котле создастся давление 34 атмосферы, паровоз делается вполне автономным: оживает сифон — устройство, создающее искусственную тягу в топке.
Начинается подготовка к рейсу. В тендер паровоза выливают порцию антинакипина. Один миллиметр толщины слоя накипи на трубах — это 600 кг (!) лишнего веса в котле. Раньше пробу воды снимали после каждого рейса: набирали воду в особый чайник из краника на котле, который так и называется — «водопробный», и сдавали в лабораторию. В лаборатории устанавливали необходимую дозу антинакипина, которая зависела от жесткости грунтовых вод на участке работы паровоза. До сих пор на тендерах паровозов можно встретить надпись: «Вода отравлена. Для питья непригодна». Впрочем, старики утверждают: «Сколько раз пили — и ничего».
Из масленок с длинными носами заливают масло в смазочные пресс-аппараты, турбинку и воздушный насос. На паровозе масло применяется разных сортов, важно его не перепутать и не залить, скажем, в паровой цилиндр масло, предназначенное для смазки букс. Сегодня настоящие паровозные масла — «вапор», «цилиндровое», «вискозин» — также стали музейными экспонатами, и все заменяются обычным дизельным маслом. А на самых первых паровозах для смазки использовали говяжье сало, олеонафт и растительное масло.
Помощник машиниста ручным винтовым прессом вгоняет смазку в подшипники машины. Машинист тем временем обстукивает молоточком гайки на дышлах, тягах и крейцкопфах. Проверяет, надежно ли они затянуты, готов ли к пути механизм. На паровозе, как в оркестре, все на слух.
Стрелка парового манометра приближается к красной черте предельного давления. Можно ехать. Машинист спускает реверс на передний ход на полную отсечку, дает полнозвучный свисток и плавно открывает регулятор, вслушиваясь в дыхание машины. Плавно, потому что при резком открытии регулятора воду может подхватить и бросить из котла в цилиндры. Последствия бросания бывали таковы, что 300килограммовое дышло, вращающее ведущие колеса, сгибало в дугу, как пластилиновое, а с цилиндров сшибало чугунную крышку, привинченную 20 болтами.
Искусство кидания
Управляет паровозом машинист, а вот топит не кочегар, как думает большинство непосвященных, а помощник машиниста. Отопление требует большого опыта, сообразительности, и слова «Бери больше — кидай дальше!» тут совершенно неприменимы.
Уголь забрасывают в топку вручную особой лопатой, сугубо паровозной, с длинным ковшом и коротким черенком. Угли бывают самые разные и сильно различаются как по размерам кусков, так и по свойствам: например, бурый подмосковный уголь паровозники звали «землей» — он почти не горел, приходилось заваливать им топку чуть не до потолка. А вот, скажем, донецкие антрациты горели очень жарко, но, если помощник упускал момент, плавились и заливали колосники, из-за чего прекращался доступ в топку воздуха — после этого паровоз оставалось лишь тушить и образовавшийся монолит разбивать отбойным молотком. Самые лучшие — так называемые газовые, длиннопламенные и паровично-жирные угли, сами названия которых, кажется, горят.
От того, насколько искусен помощник, зависит жизненно важный вопрос — хватит ли в пути пару? А кочегар на паровозе обычно выполняет лишь вспомогательные работы — смазывает буксы тендера, подгребает уголь в лоток, набирает воду из колонки и т. п. В старину кочегарами обычно были практиканты или пенсионеры.
Когда паровоз движется с работающей машиной, а не по инерции, топят «вприхлопку» — то есть помощник бросает уголь, а кочегар открывает дверцы топки только в момент броска лопаты и сразу же их закрывает, чтобы в топку не шел холодный воздух. Очень важно не переохлаждать котел: паровоз простужается как человек, но, увы, с куда более серьезными последствиями, вплоть до взрыва котла (мощностью с приличную фугасную бомбу), а иногда и улетания оного в небо, как ракеты, что в свое время случалось не так уж редко.
Работа на паровозе — нелегкий физический труд. Однако он всегда был высокооплачиваемым и очень престижным, овеян огромным уважением и почетом. Кроме того, по статистике паровозники были физически здоровее, чем их коллеги, работающие на тепловозах и электровозах. Когда машинист шел по улице в фуражке с особым белым кантом и поездочным «сундучком-шарманкой», встречные приветствовали его, снимая шапку.
Общее устройство и принцип работы паровоза
Паровоз состоит из следующих основных частей (см. рисунок, 4а): парового котла 2, паровой машины 3, кривошипно-шатунного механизма 4, экипажной части.
Паровой котел паровоза предназначен для преобразования внутренней химической энергии топлива (угля) в тепловую энергию пара. Он состоит из трех главных частей: топки 1, цилиндрической части котла 2 и дымовой коробки 7. В нижней части топки 1 расположена колосниковая решетка 8, через которую в топку поступает воздух, необходимый для горения (окисления) топлива. Центральная часть топки имеет два ряда стенок - наружный и внутренний. Наружный ряд стенок образует кожух 9 топки, а внутренний, который облицовывается огнеупорным кирпичом, - огневую коробку 10. Оба ряда стенок соединены между собой связями. В задних стенках топки сделано шуровочное отверстие 11, через которое забрасывают уголь на колосниковую решетку. Передней стенкой топки служит трубная решетка 12.
Цилиндрическая часть котла изготавливается из стальных листов. В ней размещаются дымогарные 13 и жаровые 14 трубы, через которые газы проходят из топки в дымовую коробку 7. В жаровых трубах 14 дополнительно установлены элементы пароперегревателя. Все пространство котла вокруг дымогарных и жаровых труб заполнено водой.
На самом высоком месте цилиндрической части котла 2 размещается сухопарник 15. В верхней части дымовой коробки 7 установлена труба 16, через которую удаляются отработавшие газы.
Рис.4 Схема общего устройства и принцип работы паровоза:
1 - топка; 2 - паровой котел; 3 - паровая машина; 4 - кривошипно-шатунный механизм; 5 - ведущее колесные пары; 6 - кабина машиниста; 7 - дымовая коробка; 8 - колосниковая решетка; 9 - кожух топки; 10 - огневая коробка; 11 - шуровочное отверстие; 12 -трубная решетка; 13 -дымогарные трубы; 14 -жаровые трубы; 15 - сухопарник; 16 - трубы для отработавших газов; 17 -ползун; 18 - рама; 19 - бегунковая колесная пара; 20 - поддерживающие колесные пары; 21 - тендер
Паровая машина 3 паровоза состоит из цилиндра, поршня и штока. Шток поршня паровой машины соединен с ползуном 17, через который механическая энергия передается на кривошипно-шатунный механизм 4.
Экипажная часть паровоза состоит из кабины (будки) машиниста 6, рамы 18, колесных пар с буксами и рессорного подвешивания. Колесные пары паровоза выполняют различные функции и, соответственно, называются: бегунковые 19, ведущие 5 и поддерживающие 20.
Неотъемлемой, хотя и самостоятельной, частью магистрального паровоза является тендер 21, на котором находятся запасы топлива, воды и смазочных материалов, а также углеподающий механизм.
Принцип работы паровоза основан на следующем (см. рисунок, 4,б). Топливо подается углеподающим механизмом из тендера 21 через шуровочное отверстие 11 на колосниковую решетку 8 огневой коробки топки.
Углерод и водород топлива взаимодействуют с кислородом воздуха, который поступает в топку через колосниковую решетку 8 - идет процесс горения топлива. В результате внутренняя химическая энергия топлива (ВХЭ) преобразуется в тепловую (ТЭ), носителем которой являются газы.
Газы, имея температуру 1000 - 1600 °С, проходят по жаровым и дымогарным трубам и нагревают их стенки. Тепло от стенок топки и труб передается воде. В результате нагрева воды образуется пар, который собирается вверху цилиндрической части котла. Из сухопарника 15 котла пар, имея давление 1,5 МПа (15 кгс/см 2) и температуру около 220 °С, поступает в паровую машину 3 (см. рисунок, 4,а).
В паровой машине энергия пара преобразуется в механическую энергию (МЭ) поступательного движения поршня (см. рисунок, 4,б). Далее через шток и ползун энергия передается на кривошипно-шатунный механизм, где преобразуется в крутящий момент М к, который приводит в движение ведущие колесные пары паровоза. При взаимодействии колес с рельсами крутящий момент М к реализуется в силу F к (движущую силу), обеспечивающую движение паровоза.
Паровозы отличают, прежде всего, простота конструкции и, следовательно, высокая надежность в работе, а также потребление самого дешевого топлива (уголь, торф и др.). Однако этот тип локомотивов имеет ряд серьезных недостатков, которые и предопределили его замену на другие виды тяги: очень низкая экономичность паровоза, высокая трудоемкость работы локомотивной бригады, особенно при удалении шлака из топки, высокая стоимость текущего обслуживания и ремонта котла по отношению к затратам на изготовление и эксплуатацию паровоза, небольшой (100 - 150 км) пробег без пополнения запасов угля и до 70 - 80 км - без набора воды.
В чем же причины низкой экономичности паровозов? Перечислим основные пути потерь энергии в паровом котле работающего паровоза:
· часть угля (мелкие кусочки), попадая в топку, не сгорает, а проваливается через колосниковую решетку или вместе с газами через трубу выбрасывается в атмосферу;
· большие потери тепловой энергии при взаимодействии поверхности котла и окружающего воздуха, особенно в зимнее время;
· от газов, уходящих через трубу, которые имеют достаточно высокую температуру (около 400 °С|.
Для повышения эффективности процесса теплоотдачи от газов к воде котла потребовалось бы в несколько раз увеличить длину жаровых труб и котла, что в принципе невозможно из-за массогабаритных ограничений локомотива. По этим причинам лишь 50-60 % внутренней химической энергии топлива идет на образование и перегрев пара в котле паровоза. Следовательно, кпд топки и котла вместе взятых составляют 50-60 % (см. рисунок, 4,б).
И, наконец, принципиальный недостаток паровых машин паровозов - конструктивная невозможность получения их кпд более 15 - 20 %. Пар, совершая работу, т.е. перемещая поршень, должен расшириться е объеме, пока его давление не сравняется с атмосферным. Для этого надо многократно увеличить рабочий ход поршня в цилиндре, что в условиях массогабаритных ограничений локомотива сделать невозможно. На отечественных паровозах реально удавалось достигнуть значений кпд паровой машины 12 - 14 %.
В целом кпд паровоза, определяемый через произведение кпд отдельных элементов энергетической цепи, может составить 5 - 7 %, т.е. из каждых 100 т угля лишь 5 - 7 т. идет на создание движущей силы, остальное безвозвратно теряется (идет на нагревание и загрязнение окружающей среды).
Какими же путями можно повысить эффективность паровозной тяги?
Первый. Если котлы отдельных паровозов объединить и поставить на землю, теплоизолировать их от окружающей среды (построить здание), существенно повысить давление пара в котлах, а паровую машину заменить на более экономичный двигатель, например, на паровую турбину, энергию которой передать электрическому генератору, то в результате получим тепловую электростанцию. От нее можно электрическую энергию передать к локомотивам, снабдив их колесные пары электродвигателями. Так возникла идея использования для тяги электрических локомотивов - электровозов.
Второй. Если вместо пароэнергетической установки внешнего сгорания (котла и паровой машины) поставить на локомотив двигатель внутреннего сгорания - получится тепловоз; если газотурбинный двигатель - газотурбовоз; атомный реактор - атомный локомотив.
И третий. Если заменить на паровозе паровую машину и кривошипно-шатунный механизм на турбогенератор (паровую турбину и электрический генератор) и снабдить колесные пары электродвигателями - возникнет паротурбовоз.
Общее устройство и принципы работы перечисленных выше типов локомотивов будут рассмотрены в следующих параграфах.
Страница 1
Паровоз состоит из трёх основных частей: котла, паровой машины и экипажной части. Кроме того, в состав паровоза включается тендер - специальный вагон, где хранятся запасы воды и топлива. Если же вода и топливо хранятся на самом паровозе, то тогда его называют танк-паровозом.
Принципиальная конструктивная схема паровоза: 1 - топка; 2 - зольник; 3 - цилиндрическая часть котла; 4 - дымовая коробка; 5 - будка; 6 - тендер; 7 - паровой колпак; 8 - предохранительный клапан; 9 - клапан регулятора; 10 - пароперегреватель; 11 - паровая машина; 12 - конусное устройство; 13 - кулисный механизм; 14 - привод регулятора; 15 - рама; 16 - поддерживающая тележка; 17 - бегунковая тележка; 18 - осевая букса; 19 - рессора; 20 - тормозная колодка; 21 - паровоздушный насос; 22 - автосцепка СА-3; 23 - свисток; 24 - песочница.
Котёл состоит из трёх основных частей: топки, цилиндрической части и дымовой коробки.
Топка. В топке происходит сгорание топлива. Загрузка топлива производилась либо вручную через шуровочное отверстие, закрываемое створками, либо, в поздних сериях паровозов, с помощью специального устройства - механического углеподатчика (стокера). Топка обычно делалась закреплённой внутри котла на связях и была полностью погружена в воду, чтобы максимально использовать тепло от сгорания топлива и избежать расплавления её стенок.
Зольник (поддувало). Располагается под колосниковой решёткой топки. В зольнике скапливались остатки сгоревшего топлива. Зольник снабжён дверцами либо крышками для регулировки количества поступающего в топку воздуха. Чистка зольника производилась через специальные отверстия металлическими скребками.
Цилиндрическая часть. До определённого уровня заполнена водой. Здесь находятся дымогарные трубы, через которые газообразные продукты горения топлива из топки движутся к дымовой коробке, попутно нагревая воду, находящуюся вокруг. Над дымогарными трубами проходят жаровые трубы, внутри которых смонтированы элементы пароперегревателя.
Пароперегреватель - устройство, состоящее из труб, находящихся в цилиндрической части котла, и коллектора, сообщающегося с ними при помощи соединительных трубок. Трубки пароперегревателя располагаются в жаровых трубах цилиндрической части котла, которые в отличие от дымогарных имеют больший диаметр, но проходят параллельно им чередуясь, например, в шахматном порядке. Пароперегреватель повышает температуру пара до 350-400 °C, что увеличивает КПД паровоза. Пар из котла попадает сперва в регулятор, установленный, например, в сухопарнике, затем данный насыщенный пар через паровой коллектор, который находится в дымовой камере, распределяется по трубкам пароперегревателя, сделав по которым один или несколько кругов (зависит от конструкции пароперегревателя), направляется в коллектор перегретого пара, откуда уже идет в золотниковые цилиндры.
Паровой колпак (сухопарник) - пространство для сбора готового пара в виде выступа наверху цилиндрической части котла. Из него пар уходил не только в паровые машины но и питал дополнительные устройства - электрогенератор для освещения (в поздних сериях) инжектора, стокер, сервомотор (при порче воздухопровода), паровоздушный насос - для закачки воздуха на тормоза и т. д.
Регулятор - устройство, с помощью которого машинист производит впуск пара в машину. Регулятор располагается в паровом колпаке и состоит из двух клапанов. Одноклапанные регуляторы имели очень большое усилие открывания. В двухклапаных регуляторах малый клапан помогал открытию большого, что решало эту проблему. Применение малого клапана также позволяло экономить пар - для движения могло хватить и пара, даваемого только малым клапаном, что даже породило устойчивое выражение - «на малом клапане», т. е. движение тихо, неспешно. В самых мощных советских паровозах серии ФД и ИС количество клапанов доходило до 4-5.
Реверс - управление движением паровоза вперёд и назад, дополнительно регулировка «отсечки» (фазы впуска пара в цилиндр).
Паросепаратор (паросушитель) - устройство для отделения пара от капель воды.
Инжекторы - устройства для подачи свежей воды из тендера в котёл. В отдельных паровозах параллельно с инжекторами применялись водогонные насосы системы Шмита.
Дымовая коробка - передняя часть котла, в которой находятся коллектор пароперегревателя, конусное устройство (форсовый конус) и дымовая труба. В дымовой коробке располагают также коллектор, искроуловительные приборы и сифон (паровой прибор для создания разрежения в дымовой коробке при беспарном ходе паровоза). Спереди дымовая коробка закрывается крышкой на петлях, открываемой для очистки дымовой коробки и для выемки труб при ремонте. Для осмотра коробки и её очистки на фронтонном листе имеется дверца меньших размеров.
