Паровозыжелезнодорожный транспорт

Для того чтобы оценить, насколько полно и выгодно используется в паровозе тепло, полученное от сжигания топлива, обычно пользуются понятием коэффициента полезного действия (сокращённо к. п. д.). Коэффициентом полезного действия паровоза называется отношение количества тепла, которое использовано на работу по перемещению паровоза и поезда (т. е. полезно использованного тепла), к количеству тепла, которым располагало топливо, заброшенное в топку паровоза. К. п. д.современного, даже наиболее совершенного паровоза, обычной конструкции редко превышает 7%. Это значит, что из каждой тонны сожжённого угля на передвижение поезда расходуется только 70 кг. Остальные 930 кг буквально «вылетают в трубу», т. е. для работы по передвижению поезда не используются. Если учесть, что в паровозных топках сжигается около % части угля, добываемого в нашей стране, то станет ясно, что из-за чрезвычайно низкого к. п. д. паровоза на ветер выбрасываются тысячи тонн драгоценного топлива—«чёрного золота». Вот почему при модернизации паровозов усилия конструкторов направлены прежде всего на повышение их экономичности, так как даже самое незначительное, пусть на одну десятую процента, повышение к. п. д. паровоза в масштабе всей железнодорожной сети приобретает большое государственное значение. Продолжая великое начинание своих соотечественников, знаменитых русских механиков Черепановых, наши паровозостроители шаг за шагом повышали мощность и экономичность паровоза. Радикальное решение проблемы повышения к. п. д. было осуществлено в начале XX в., когда на паровозах был впервые применён перегретый пар. С тех пор, и особенно за последние 20 лет, было произведено немало конструктивных усовершенствований паровоза, повысивших его мощность. Однако добиться заметных результатов в повышении экономичности паровозов не удалось: со времени Черепановых мощность паровоза возросла больше чем в 100 раз, скорость увеличилась почти в 15 раз, а к. п. д. паровоза—только в 2 раза. Чтобы понять, почему так трудно повысить к. п. д. паровоза, познакомимся с некоторыми сведениями о балансе тепловой энергии, затрачиваемой в нём.

Если до сих пор не удалось создать удачной конструкции воздухоподогревателя, то становится понятным, почему так трудно создать паровоз, в котором были бы воплощены и другие новейшие достижения стационарной теплотехники (высокое давление пара, вакуумная конденсация, пылеугольиое отопление и др.). В решении проблемы повышения экономичности паровоза большое ^значение имели работы нашего соотечественника академика С. П. Сыромятникова. Созданная С. П. Сыромяти и ковым теория теплового процесса помогла ему найти оригинальное решение вопроса о снижении веса паровозного котла, что дало возможность устанавливать различные устройства, повышающие мощность и экономичность паровоза. «Тщательные расчёты показывают, — писал академик Сыромятников, — что передняя половина трубчатой части паровозного котла даёт не более 14—15% общего количества пара, производимого паровозным котлом. Это значит, что мы возим на паровозе громадный мёртвый вес в виде большой, громоздкой и тяжеловесной поверхности нагрева, с которой снимаем очень мало пара. Если упразднить неэффективную переднюю половину трубчатой части котла, то мы освободим место на паровозе и создадим резервы, которые позволят выиграть гораздо больше, чем потерянные при этом 14—15% пара». Несколько лет назад по предложению акад. С. П. Сыромятникова группа научных работников и инженеров Московского электромеханического института инженеров железнодорожного транспорта им. Ф. Э. Дзержинского разработала технический проект такого паровоза типа 1-5-1 со значительно укороченной (вместо обычных 6 м) трубчатой частью, т. е. фактически с новой схемой парового котла. Правильность технических расчётов проверялась и подтверждалась многочисленными испытаниями на разнообразных стендах и моделях. Опыты показали, что расположенный в специальной камере (фиг. 145) так называемый выносной перекрёстноточный пароперегреватель (предложенный проф. Н. И. Белоконь в 1938 г.) способен перегревать пар до 530°, водоподогреватель обеспечивает подогрев воды до 80—90°, а температура воздуха, подводимого в топку, достигает 200—220°. Опытный паровоз по предложению акад. Сыромятникова (фит. 145 и 146) был построен Ворошиловградским паровозостроительным заводом им. Октябрьской революции. # * * Подсчитано, что если кусок каменного угля весом 1 кг превратить в пыль, то общая его поверхность, соприкасающаяся с воздухом, поступающим в топку, возрастёт в 50 000 раз, и все частицы угля будут сгорать полностью в одинаковых условиях. Поэтому обычные потери тепла от провала и уноса угля должны резко снизиться. Подсчёты показывают, что сжигание угля в виде пыли позволяет значительно увеличить к. п. д. котла Советские инженеры провели многочисленные опыты по использованию пылевидного топлива на паровозах и добились в этой области зам^™ успехов. Однако многие вопросы еще не решены.

Фиг. 145. Общий вид паровоза, предложенного С. П. Сыромятниковым Главное осложнение состоит в том, что в обычной топке паровоза сравнительно небольшого объёма задняя трубная решётка при отоплении уголы-гой пылью очень быстро (примерно в течение часа) залепляется золой и шлаком. Чем же это вызывается? В обычной паровозной топке слой твёрдого топлива сжигается на колосниковой решётке. Образующиеся при этом зола и шлак периодически удаляются из зольника. Иначе обстоит дело в паровозах с пылеугольным отоплением. Здесь никакого слоя топлива нет, так как сгорание мельчайших частиц угля происходит на лету, в пространстве топки. Сгорание происходит при очень высокой температуре. Зола, образующаяся при сжигании пыли на лету, из-за высокой температуры плавится и, оседая на менее нагретой задней решётке и на трубах, спекается (шлакуется), быстро забивая их. Каким же образо.м использовать высокую температуру сгорания пыли и в то же время снизить температуру перед трубнойрешёткой, не допуская её зашлаковывания? Конструкторы увеличили объём топки за счёт использования объёма зольника, надобность в котором при пылеугольном отоплении отпала, и заставили сгорать угольную пыль не перед трубной решёткой, а в месте расположения бывшего зольника, превратив его в камеру горения (фиг. 147). Чтобы не допустить внешнего охлаждения, её стенки обмуровываются огнеупорным кирпичом. Такая

Фиг. 146. Схема паровоза- предложенного С. П. Сыромятниковым кладка способст

Локомотив, первичным двигателем которого является газовая турбина, а в качестве рабочего тела используются воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива, называется газотурбовозом. Первый в мире газотурбовоз мощностью на валу турбины 2 200 л.с. был построен в 1941 г. в Швейцарии фирмой Броун Бовери. Этот локомотив и в настоящее время эксплуатируется на швейцарских железных дорогах. В дальнейшем газотурбовозы были построены в Англии, Франции, Швейцарии и США. Сейчас в США работают 25 газотурбовозов, построенных в 1953—1954 гг. На фиг. 152 показан общий вид современного газотурбовоза, построенного фирмой Дженерал Электрик Алко (США). Вес его равен 249,5 т. Основное достоинство газотурбинного локомотива — компактность и простота устройства при высоком коэффициенте полезного действия, равном 15—19% (на низкосортном жидком топливе), и большой мощности в одной секции (4 500 — 5 000 л. с. при длине секции 25 — 27 м), что позволяет снизить расход металла на единицу мощности. Таким образом, существующие газотурбовозы при температуре газов 700° по своему к. п. д. приближаются к тепловозу, хотя и работают на более дешёвом и менее дефицитном жидком топливе. А если удастся поднять температуру газов перед турбиной до ЮОО— 1100°, то к. п. д газотурбовоза будет равен к. п. д. тепловоза (28—29%). Газотурбинная установка состоит из трёх главных частей (фиг. 153): газовой турбины, камеры сжигания и компрессора. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре до давления 5—6 am, поступает в камеру сжигания, в которую впрыскивается жидкое топливо (или газ). В камере сжигания происходит процесс сгорания топлива. Горячие газы направляются на лопатки газовой турбины, где, расширяясь, приводят во вращение турбинное колесо.

Фиг. 152. Общий вид современного газотурбовоза Чтобы компрессор засасывал и сжимал атмосферный воздух до давления 5—6 am, его нужно вращать. Для этого вал компрессора соединяется муфтой с валом турбины. Таким образом, турбина вращает не только генератор электрического тока, питающий тяговые двигатели движущих осей локомотива, но и компрессор, насаженный на тот же вал. Компрессору газовая турбина отдаёт весьма значительную часть своей мощности (около 70%) и только остальную часть мощности (около 30%)— тяговым двигателям. Отработавшие в лопатках турбинного колеса газы выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Имеются газотурбовозы, у которых тепло отработавших в турбине газов используется в так называемых регенераторах, в которых происходит подогрев сжатого воздуха, поступающего из компрессора в камеру сжигания. Учитывая преимущества газотурбовозов, июльский (1955 г.) Пленум ЦК КПСС признал необходимым развернуть в широких масштабах работы по созданию газотурбинных локомотивов, электровозов и тепловозов для дальнейшего технического оснащения железных дорог. В нашей стране сейчас ведётся проектирование ряда газотурбо-возов, в том числе газотурбовоза мощностью в двух секциях в 6 800 л. с. В ближайшие годы отечественные газотурбовозы будут эксплуатироваться на наших железных дорогах наряду с тепловозами и электровозами. Газотурбовоз может работать и на твёрдом топливе по трем основным схемам: 1) сжигание угольной пыли, 2) применение транспортных газогенераторов (газификация угля под давлением), 3) сжигание любых сортов топлива в схемах с воздушным котлом. Однако газотурбовозы, работающие на твёрдом топливе, пока не созданы, хотя исследования в этой области ведутся в ряде Фиг. 153. Схема газотурбинной установки стран. Реальное решение этой многообещающей проблемы связано с преодолением серьёзных трудностей (быстрый износ лопаток турбинного колеса под действием горячих газов, содержащих твёрдые частицы, создание жаропрочных сплавов, выдерживающих высокие температуры). Высокую экономичность имеют газотурбовозы с так называемым безвзльным поршневым генератором газа. В этой схеме роль компрессора выполняет дизель со свсбоднодвижущимися поршнями. Однако безвальные генераторы, так лее как и дизели на тепловозах, потребляют высококачественное дизельное топливо. Первый в мире опытный локомотив с турбиной, в которой рабочим телом является газ от генератора газа со свободно движущимися поршнями, построен фирмой Рено (Франция) в 1952 г. 27 июня 1954 г. в нашей стране была пущена в эксплуатацию и дала электрический ток для промышленности и сельского хозяйства прилежащих районов первая в мире атомная электростанция полез
ной м

По сравнению с котлом паровая машина расходует тепловую энергию пара ещё более расточительно. Подсчитано, что даже самый высокий к. п. д. лучшей паровой машины паровоза не превышает 12—14%. Больше всего энергии теряется из-за того, что отработавший пар, покидая паровую машину, уносит с собой большую часть тепловой энергии, сообщённой пару в котле. В самом деле, отработавший пар уходит через конус в атмосферу, обладая давлением до 1,5 am и температурой 120—180°. Теплосодержание его составляет 647—676 килокалорий, в то время как теплосодержание перегретого пара при давлении 16 am и температуре -380° составляет 766 килокалорий.Чем больше отсечка пара, тем большее количество энергии уносится с выхлопным паром. Эта огромная потеря тепла называется потерей с выхлопным паром, она достигает 38—40%. Неполное расширение пара, так называемое мятие пара при впуске и выпуске, теплообмен со стенками цилиндров и утечка пара через неплотности, противодавление на нерабочую сторону поршня вследствие несовершенства конусно-вытяжных устройств – всё это увеличивает потерю тепла. В результате полезная работа паровой машины резко снижается. Если при этом учесть, что часть энергии расходуется на преодоление постоянно действующих в движущем механизме сил сопротивления (сил трения), то фактически полезная работа машины окажется ещё меньше. Вот почему к. п. д. её не превышает 12—14%. Для наглядности баланс тепловой энергии современного паровоза при средних режимах его работы приведён в таблице и иллюстрирован на фиг. 144, из которых видно, что наибольшую долю тепла поглощают: а) в котле — потери с уходящими газами и потери, связанные с уносом топлива, и б) в машине — потери с выхлопным паром. Теперь не трудно подсчитать и полный к. п. д. паровоза. Его можно представить как произведение к. п. д. котла на к. п. д. машины, что при взятых нами средних данных составит 0,55 • 0,13 • 100 = 7,1%. Примерный баланс тепловой энергии паровоза Приход Расход Получено энергии от каменного угля, сжигаемого в топке …..100% Итого 100% Котёл 1. Потери от уноса и провала, потери со шлаком (механические потери)]………… 25% 2. Потери с уходящими газами . . 14% 3. Потери вследствие неполного сгорания (химические потери) . 5% 4. Потери на внешнее охлаждение котла …………. 1% Машина 5. Потери с выхлопным паром . . 38% 6. Потери от утечек пара….. 8% 7. Потери на внешнее охлаждение машины ……….. 1% 8. Потерн на трение в шарнирах механизма……….. 1% 9. Энергия перегретого пара, прекращённая в полезную работу . 7% Итого……..100%.

Итак, паровая машина, которая совершает колоссальную работу по передвижению поезда, выбрасывает с отработавшим паром в окружающий воздух большое количество тепла. Возникает вопрос: нельзя ли использовать это тепло? В стационарных установках большая часть отработавшего пара-используется для отопления зданий и снабжения горячей водой населения. Благодаря этому полезно используется более половины тепла,, заключённого в топливе. Однако, решение этой задачи для паровоза значительно осложняется тем, что он является подвижной теплосиловой установкой, размеры которой ограничиваются габаритом подвижного состава, а вес —• допустимой нагрузкой на рельс. В самом деле, если стационарная теплосиловая станция мощностью до 4 000 л. с. для своего размещения требует здания объёмом около 10 000 м8, то паровоз подобной мощности должен быть «вписан» в объём, не превышающий300—350ж3, т. е. в 30 раз меньший. Кроме того, стационарное здание опирается на каменно-бетонное основание, которое в состоянии нести очень большие нагрузки. Фундаментом для паровоза является рельсовый путь, который

в зависимости от типа рельсов допускает нагрузку от каждой оси •колёсной пары обычно не более 23—25 т. Отсюда понятно, что не всякое устройство, повышающее к. п. д. локомотива, даже небольшое по своим размерам и весу, может быть использовано по условиям размещения на паровозе. Таким образом, сложность задачи конструирования устройств, повышающих экономичность паровоза, состоит в том, что они должны быть не только безотказны в работе, просты в уходе, но также компактны и легки. * * Вводимый в топку холодный воздух, нагреваясь, поглощает некоторую часть тепла. Естественно, что это снижает и без того низкий к. п. д. котла. Если же воздух предварительно подогреть, то эта потеря тепла будет устранена. Для подогрева воздуха можно использовать тепло отработавшего пара или тепло уходящих газов. Расчёты показывают, что в первом случае экономия топлива составляет 3—4% (воздух подогревается до 80—90°), а во втором случае экономия должна составить около 8% (воздух можно подогреть до 200°). Значит, подогрев воздуха выгоднее осуществлять уходящими газами. А как целесообразнее использовать запас энергии отработавшего пара? Удовлетворительным решением этого вопроса является использование пара для подогрева питательной воды. Расчёты показывают, что если паровоз оборудовать пароперегревателем, дающим температуру перегретого пара до 450°, и водо-подогревателем, который бы нагревал воду до 95°, то общий к. п. д. паровоза можно повысить до 9—9,5%. На современных паровозах типа 2-4-2 и 1-5-1, которые обеспечивают высокую температуру перегретого пара (400—420°), оборудованы водоподогревателями и имеют удачные конусные дымовытяжные установки, был достигнут к. п. д. паровоза 9,2 — 9,3%. Предварительный подогрев воды до 90—95° позволяет сберечь 8—10% топлива и до 10—12% воды. За последние 20 лет было испытано на паровозах большое количество различных водоподогревателей и воздухоподогревателей. Широкое практическое применение нашёл водоподогреватель смешения типа Брянского завода (см. стр. 80), которым оборудованы паровозы типов 2-4-2, 1-4 + 4-2, серии ЛВ, а также паровозы старых серий. Гораздо сложнее дело обстоит с подогревом воздуха: ни один из воздухоподогревателей не нашёл практического применения на паровозах; это свидетельствует о трудностях, с которыми сталкивались конструкторы при создании таких устройств.

Мы уже знаем, что пар в котле паровоза образуется за счёт использования тепловой энергии топлива, поступившего в топку. Однако не вся тепловая энергия, заключённая в топливе, переходит в энергию пара. Значительная часть её теряется. Эти потери даже в современных паровозных котлах съедают больше 40% содержащегося в топливе тепла. Из чего же они складываются? Во-первых, потери вызываются неизбежным уносом мелких не-сгоревших частиц топлива в дымовую трубу. Это — наибольшая часть потерь тепла в тепловом балансе котла. Они являются следствием сильной и при том пульсирующей тяги, искусственно создаваемой конусной дымовытяжной установкой. Ведь газы сгорания вылетают из топки паровоза со скоростью, достигающей 50—60 м/сек. Кроме того, часть топлива теряется, проваливаясь в зольник через, отверстия колосниковой решётки. Потери тепла, связанные с уносом и провалом несгоревших частиц топлива, называются механическими потерями. Сюда же относится потеря тепла в шлаке (с недогоревшим топливом). В сумме эти потери достигают 25%, а иногда и больше. Во-вторых, часть тепла бесполезно теряется с уходящими из котла газами, так как газы выходят из котла с температурой в среднем от 300 до 400°. Эти потери составляют около 14—16%. В-третьих, тепло теряется вследствие того, что топливо не всегда сгорает полностью. А это бывает из-за недостатка или чрезмерного избытка воздуха, подводимого в топку (см. главу II). В таких условиях углерод сгорает не в углекислый газ, а в окись углерода и при этом выделяется значительно меньше тепла. Эти потери, носящие название химических потерь, достигают 5—8%. В-четвёртых, часть тепла передаётся через наружную поверхность котла непосредственно во внешнюю среду. На этом теряется ещё около 1 % тепла. Если сложить все потери, то и окажется, что только в паровозном котле бесполезно расходуется около 40—45% тепловой энергии топлива, поступившего в топку. Иными словами, общий к. п. д. котла не превышает 55—60%.

В наши дни техника развивается неизмеримо быстро. То, что было достигнуто совсем ещё недавно, уже не удовлетворяет конструкторов сегодня. Непрерывно испытываются новые более совершенные конструкции узлов и деталей, улучшается технология их производства, осваиваются новые качественные марки металлов и сплавов, позволяющие значительно уменьшить общий вес машин и в то же время увеличить их прочность. Приведём лишь один пример. Поршень, установленный в паровой машине паровоза 2-4-2, весит в два раза меньше поршня, установленного на паровозе серии Су (64 кг против 128 кг), хотя диаметры цилиндров у этих паровозов одинаковы, а рабочее давление пара у первого локомотива выше, чем у второго на 2 am. Этого удалось достигнуть благодаря применению качественной углеродистой стали и изготовлению заготовки поршня штамповкой. В паровозах новейшей постройки находят применение водоподо-греватели, увеличители сцепного веса, роликовые и игольчатые подшипники в движущем и парораспределительном механизмах, чугунные сальники, автостопы, локомотивная сигнализация, скоростемеры, радиосвязь и др. Естественно, что паровозы, построенные много лет назад, значительно устарели и неполностью отвечают современным научно-техническим требованиям и задачам повышения их экономичности. Поэтому огромное значение приобретает проблема усовершенствования паровозов действующего парка и внедрения в их конструкцию последних технических достижений. Модернизация и предусматривает приведение паровозов старой постройки в соответствие с современными требованиями науки и техники. В отличие от реконструкции, вносящей коренные изменения в устройство машин, модернизация характерна относительно незначительными изменениями в конструкции и в изготовлении отдельных узлов паровозов. Модернизация локомотивов проводится постоянно, непрерывно и призвана отражать в себе, как в зеркале, богатейший опыт их эксплуатации паровозными и ремонтными бригадами, лучшие достижения научной и конструкторской мысли, предложения многочисленной армии изобретателей. Какие же наиболее важные работы проводятся сейчас по техническому обновлению локомотивов? Проследим это на примере мощных грузовых паровозов серии ФД, построенных 23 года назад, тогда эти машины воплощали в себе лучшие достижения паровозостроительной науки и техники. Сейчас они не строятся, но эксплуатация их продолжается на ряде железных дорог. В процессе модернизации паровозов серии ФД давление пара в котле повышено на 1 am (с 15 до 16 am). Кроме того, на них устанавливаются водоподогреватель смешения Брянского завода, широкотрубный пароперегреватель вместо мелкотрубного, улучшенная конусно-вытяжная установка, парораспределительный механизм с увеличенной отсечкой до 0,7 (чтобы обеспечить увеличение силы тяги по машине), сажесдуватель с выдвигающимся соплом. Применение на паровозах указанных усовершенствований повышает их тепловую экономичность. Наряду с тепловой модернизацией проводится модернизация, направленная на улучшение конструкции паровозов и повышение безопасности движения, в связи с увеличением веса и скорости поездов. Для повышения сцепного веса паровоза серии ФД в период движения на малых скоростях на нём устанавливается увеличитель сцепного веса. Кроме того, применена централизованная смазка экипажа, облегчающая труд паровозных бригад; установлены саморегулирующиеся буксовые клинья,снабжённые пружинами, которые сами поднимают клинья, обеспечивая правильное положение буксы в буксовом вырезе. Важным достижением последних лет является усовершенствование поршневых и золотниковых сальников,в связи с чем старые сальники заменяются так называемыми лабиринтными сальниками ЦНИИ с чугунными уплотнительными кольцами, обеспечивающими паронепроницаемость при меньшем расходовании цветных металлов. Среди мероприятий по модернизации предусмотрено и уже осуществляется оборудование паровозов серий ФД автостопами, радиосвязью, скоростемерами, ускорителями отпуска тормозов, так как при современных длинносоставных поездах сопротивление в воздушной магистрали значительно возрастает, мощными и экономичными паро-воздушными компаунд-насосами. Круг технических задач, разрешаемых в связи с модернизацией паровозов разных серий, весьма велик и не ограничивается, конечно, перечисленными мероприятиями, данными применительно к паровозу серии ФД. Сюда входят вопросы усиления отдельных узлов и деталей паровоза, усовершенствования технологии их изготовления, пов
ышения давления и температуры пара и т. д. В дальнейшем, помимо сказанного, намечается установка на паровозах серий СО и Су водоподогревателей, сервомоторов и другого оборудования, проверенного в эксплуатационных условиях. Многолетний опыт модернизации наличного парка локомотивов показывает, что она позволяет значительно повысить экономичность паровозов, увеличить их мощность и облегчить условия труда паровозных бригад в соответствии с современными достижениями науки и техники. Наряду с модернизацией в настоящее время широко проводится унификация узлов и деталей паровозов. Унификация преследует основную цель: максимально сократить количество типов конструкций одноимённых узлов и деталей, привести их, по возможности, к одинаковым размерам. Благодаря унификации устанавливаются наиболее рациональные формы, размеры, допуски и посадки, а также классы чистоты обработки деталей, становится возможным значительно упростить и удешевить их серийное производство и в то же время повысить надёжность в работе. При пересмотре конструкции деталей и узлов инженеры стараются добиться экономии металла, особенно бронзы, баббита, латуни, свинца. В настоящее время уже унифицированы десятки узлов и деталей парового котла, паровой машины и экипажа. Среди них инжекторы, предохранительные клапаны котла, раздвижные золотники, поршни, ползуны, элементы пароперегревателей, обратные клапаны смазки. Огромное значение унификации можно проиллюстрировать множеством примеров. Так, до унификации на паровозах ставилось 9 типов предохранительных клапанов; после унификации, которая позволила сократить количество разнотипных деталей в 11 раз, остался один предохранительный клапан — простой в изготовлении и ремонте.