Паровозыжелезнодорожный транспорт

Каждому не раз приходилось слышать характерный шум проходящего паровоза, напоминающий мощное дыхание огромного живого организма, — то тяжёлое, то лёгкое, то замедленное, то частое. Этот шум создаёт отработавший пар, выходящий через дымовую трубу вместе с газами сгорания. С каждым выхлопом из •цилиндров выпускается такое же количество пара, какое было впущено в них золотниками из котла. Можно подсчитать, сколько выхлопов в минуту сделает паровая машина паровоза в зависимости от скорости движения. Пусть при наибольшей скорости движущие колёса быстроходного пассажирского паровоза (диаметр колёс 2 ООО мм) делают до 440 оборотов в мин. А так как за один оборот пар выпускается из обоих цилиндров машины четыре раза, то в одну минуту будет произведено 1 760 выхлопов пара — почти 30 выхлопов в секунду. Выхлопы эти настолько часты, что выход отработавшего пара происходит почти непрерывно, без заметных интервалов. Такой почти сливающийся выхлоп создаёт равномерную тягу газов из топки, благодаря чему горение угля улучшается и количество пара, образуемого котлом, увеличивается. При малых же скоростях, например, 10 км/час, колёса того же паровоза будут делать в минуту только 26 оборотов. Значит, оба цилиндра паровой машины произведут в минуту 104 выхлопа, т. е. <в 17 раз меньше: вместо почти непрерывной струи отработавшего пара мы получим очень редкие, периодические выхлопы. В промежутки между ними никакого разрежения в дымовой камере отработавший пар не создаёт. В результате тяга газов из топки при малых отсечках значительно спадёт, горение станет слабее и образование пара в котле уменьшится. Чем больше пара потребляет паровая машина, тем больше она •выбрасывает его через конус и, следовательно, тем большее разрежение создаётся в дымовой коробке и топке. При этом горение топлива идёт энергичнее, котёл больше приготовляет пара, форси-ровка котла увеличивается. Паропроизводительность котла находится в прямой зависимости от разрежения в дымовой коробке, а это последнее зависит от работы конусной дымовытяжной установки. Таким образом, взаимосвязь работы котла и машины осуществляется автоматически, независимо от машиниста. Именно в этой полной автоматизации рабочих процессов котла и машины и заключается одно из замечательных свойств паровоза, намного облегчающее управление им. Другим ценным преимуществом паровоза является то, что его котёл может накапливать пар на более лёгких участках пути (ровная площадка, спуск) и при беспарном ходе. В этом случае котёл играет роль аккумулятора тепловой энергии: он накапливает пар, который затем используется для прохождения наиболее трудных подъёмов. Ведь при увеличении скорости движения при одной и той же отсечке, а также при езде на трудных участках расход пара машиной увеличивается. Дополнительная отдача машине пара, запасённого котлом, называется займом у котла. В короткий, период займа (обычно трудные подъёмы составляют^ небольшую часть пути)’машинист уменьшает или вовсе прекращает подачу холодной воды из тендера в котёл, — парообразование идёт за счёт горячей воды, находящейся в нём. Это позволяет, как показывает практика, в течение 15— 20 мин. повышать форси-ровку котла на 15—-20%. Само собой разумеется, что уровень воды в котле во время займа Одолжен уменьшиться, но ни в коем случае нельзя допустить снижение уровня ниже предельно допустимого. Поэтому перед займом, на лёгких участках профиля пути, машинисты доводят запас воды в котле до уровня примерно трёх четвертей водомерного стекла. На фиг. 135 показан уровень воды в котле перед займом и после него. За уровнем воды машинист бдительно наблюдает по водоуказа-тельному стеклу В руках машинистов-тяжеловесников заём у котла является одним из важных резервов увеличения мощности паровозов на короткий период прохождения наиболее тяжёлых участков пути.

Перед отправлением в рейс паровоз снабжается топливом, водой, песком, смазочными и другими материалами. В депо, на ряде станций, а иногда и в пути периодически очищают топку отшлака, продувают котёл для удаления шлама, жаровые и дымогарные трубы для очистки их от сажи, а также производят другие операции, обеспечивающие нормальные условия работы паровоза. Комплекс этих операций называется экипировкой паровозов. Трудоёмкие процессы экипировки — подача угля, песка, воды, уборка шлака и др. — механизированы. Снабжение паровозов углём. На топливных складах железных дорог уголь на тендер паровоза подаётся при помощи паровых или электрических грейферных кра- . нов (фиг. 36, внизу) или через эстакады и бункерные установки (фиг. 36, вверху). Применение эстакад и бункерных установок со-я кращает простои паровоза g- под набором угля до 4 — g 5 мин. На топливных складах о> выгрузка угля из самораз-| гружающихся полувагонов 5 производится на специаль-к ных повышенных путях S без применения ручного £ • труда. Из отвалов разгру-^ зочного пути уголь’ грей- s ферными кранами подаётся g в кустовые бункера (см. S. фиг. 36) или непосредст-к венно—на тендер паровоза, а Наиболее совершенной ё. установкой для подачи уг-•& ля на паровозы является \ углеподающая эстакада со u смесительной станцией п (фиг. 37). Полувагоны с уг- g лём разных марок подают- £■ ся на разгрузочный путь, с совмещённый с углесмеси- S тельной установкой, где и к разгружаются в соответст- вующие бункера. « Из бункеров разгрузоч-« ного пути уголь подаётся j2 на движущийся транспор-. тёр, на ленте которого об-с€ разуется несколько слоев С угля разных марок. Эта © смесь при помощи системы ленточных ‘транспортёров перемещается в раздаточные бункера углеподающей эстакады. При загрузке в бункера эстакады уголь взвешивается. Снабжение паровозов песком. На-

Фиг. 37. Углеподающая эстакада со смесительной станцией

Фиг. 38. Набор песка паровозом

полнение песочниц паровозов сухим кварцевым песком производится из пескораздаточных бункеров (фиг. 38), в которые песок подаётся •с помощью сжатого воздуха из пескосушилки. Пескоснабжающая установка включает в себя склад сырого песка, пескосушилку с устройствами для сушки и просеивания песка, пескопроводы и раздаточные бункера, из которых сухой песок засыпается в песочницы паровозов. В новейших типах песко* снабжающих установок для сушки песка применяются высокопроизводительные механизированные барабанные печи. Снабжение паровозов водой. Быстрое снабжение паровозов водой на промежуточных станциях имеет большое значение для увеличения скорости движения поездов (коммерческой •скорости). Для сокращения простоев паровозов под набором воды на многих станциях применяются башни-ускорители. Ускоритель — это небольшой резервуар (ёмкостью 30—40 ж3), расположенный вблизи гидроколонки. В интервале между набором воды паровозами ускорители наполняются водой, которая по трубопроводу и гидроколонке за 6—10 мин. наполняет тендер паровоза. На фиг. 39 показана принципиальная схема современного железнодорожного водоснабженияс автоматическим управлением насосной •станцией. Такая станция работает без участия человека. Схема работы станции железнодорожного водоснабжения довольно проста. Вода из реки или другого водоёма перекачивается в бак водонапорного сооружения. Отсюда она подаётся в разводящий трубопровод под естественным напором или под давлением. Как же обеспечивается автоматичность работы всех аппаратов и оборудования насосной станции? Установленный в здании насосной станции насос связан (сблокирован) с поплавковым устройством водяного бака. Поэтому пуск и •остановка электродвигателя насоса осуществляются автоматически в зависимости от положения уровня воды в водонапорном сооружении. Если уровень воды в водонапорной башне достигнет верхнего предела, поплавок воздействует на реле (датчик), которое через приборы управления останавливает электродвигатель насоса. Наоборот, при понижении уровня в башне реле заставляет приборы управления привести электродвигатель насоса в действие. Необходимые переключения агрегатов, связанные с изменением режима работы станции, осуществляются при помощи электромагнитных и тепловых р
еле-аппаратов, котор
ые, выполняя разнообразные функции, автоматически воздействуют на другие аппараты и контролируют их работу. Передача электрического сигнала от поплавкового реле к агрегатам насосной станции осуществляется по проводам сигнализации. Всякое изменение режима насосной станции быстро и чётко воспринимается соответствующими аппаратами и агрегатами. Работа каждого агрегата и всей установки контролируется по •приборам; при появлении малейшей неисправности агрегат мгновенно отключается, и в действие приходит резервный агрегат.

Основные преимущества насосной станции с автоматическим управлением перед станцией с ручным управлением заключаются в повышении надежности работы насосно-силового оборудования его сохранности и экономичности эксплуатации. Автоматизация железнодорожного водоснабжения получает всё более широкое распространение на наших железных дорогах.

Уборка шлака. Чтобы обеспечить интенсивное горение топлива, колосниковую решётку паровоза периодически очищают от шлака. Шлак, накопившийся в бункерах зольника, высыпается (в специально отведённых для этого местах) на деповские или станционные пути или в кочегарные канавы и затем убирается в отвал. В дальнейшем шлак используется как строительный материал. Наиболее совершенная установка для уборки шлака (скиповая) показана на фиг. 40. Шлак из зольника высыпается в расположенный под путями приёмный бункер шлакоуборочной установки. При автоматическом открытии затвора шлак из приёмного бункера высыпается в передвижной скип (ковш). При помощи электролебёдки скип выкатывается из-под пути, поднимается и опрокидывается; шлак из него высыпается в железнодорожный полувагон. Все процессы по открытию затворов бункеров, перемещению, подъёму и разгрузке скипа в этой установке механизированы ш управление ими осуществляется нажатием кнопки.

Рассмотрим вкратце процесс горения топлива в топке паровозного котла. Вначале топливо, заброшенное в раскалённую топку, подсушивается, из него выделяется влага. Затем при нагревании до температуры 600 — 800° из топлива выделяются (улетучиваются) газообразные вещества, называемые летучими. Летучие вещества быстро и легко загораются; чем больше летучих содержит уголь, тем легче он воспламеняется, тем длиннее языки пламени. Летучие сгорают в пространстве над колосниковой решёткой, т. е. над слоем топлива. Чем меньше летучих содержит уголь, тем труднее он загорается, и процесс горения протекает главным образом в самом слое топлива. При горении в результате химических реакций образуются продукты горения (топочные газы), которые состоят из азота (главным образом), углекислого газа, сернистого газа, паров воды и некоторого количества свободного кислорода, не успевшего вступить в соединение с углеродом. Горение считается полным, если весь углерод, содержащийся в топливе, перешёл в углекислый газ, а водород — в пары воды. Горение называется неполным, если в продуктах горения имеются окись углерода, несгоревший водород или другие горючие вещества. После выделения летучих на колосниковой решётке образуется твёрдый остаток — кокс. Топочные газы, образующиеся от сгорания летучих и кокса, отводятся из огневой коробки через жаровые и дымогарные трубы при помощи специальной дымовытяжной установки (см. главу III). Тепловой эффект любого вида топлива, и в частности каменного угля, характеризуется теплотворной способностью, т. е. тем количеством тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг данного топлива. За единицу количества тепла принята килокалория (большая калория), т. е. количество тепла, за счёт которого можно повысить температуру 1 кг воды на 1°С. Установлено, что 1 кг хорошего каменного угля при полном сгорании способен выделить около 6 500 килокалорий тепла. При полном использовании этого тепла можно повысить температуру 6,5 т воды на 1° или подогреть от 0 до 100° 65 кг воды. После сгорания топлива на колосниковой решётке, как указывалось, остаётся зола — несгорающий остаток, образующийся из минеральных примесей. Чем больше золы в топливе, тем меньше горючих веществ и тем меньше теплотворная способность этого топлива. Находясь в слое раскалённого топлива, зола плавится и, медленно стекая к менее нагретой поверхности колосниковой решётки, застывает на ней, образуя плотную корку шлака. В результате доступ воздуха к слою топлива затрудняется, горение ухудшается и, если своевременно не очистить колосниковую решётку, может вообще прекратиться. Чтобы избежать зашлаковывания, топки паровозных котлов оборудуются шлакоувлажнителями. Шлакоувлажнитель имеет вид изогнутой трубки, расположенной под колосниковой решёткой. В трубке высверлен целый ряд маленьких отверстий. Пар, выходящий тонкими струйками из отверстий шлакоувлажнителя, проникает между частицами спекающейся золы, способствуя образованию пористого шлака. В результате значительно облегчается доступ воздуха из зольника в топку и упрощается чистка топки. Во время интенсивного горения температура в топке доходит до 1500°, а иногда и до 1700—1800°. Как же тепло, выделяющееся при горении в топке, передаётся воде, находящейся в котле паровоза?

Если не принять надлежащей предосторожности против уноса в дымовую трубу раскалённых частиц твёрдого топлива (искр), то часть их размером до 8 мм, а иногда и больше, подхваченная ветром, может подняться на значительную высоту (до 50 м) и в горящем состоянии опуститься в радиусе более чем 15 м. Такоеискро-падение может быть причиной пожаров, так как температура крупных искр достигает почти 900°. Вот почему в Правилах технической эксплуатации железных дорог записано: «На каждом паровозе с дровяным или угольным топливом должны быть вполне исправные искроуловительные или искрогасительные приборы». Простейшее устройство для улавливания крупных искр выполняется в виде искроудерживающей сетки, устанавливаемой в дымовой коробке между Вертикальный сплошной шт и дымовой конусом трубой. Газы сгорания не могут попасть в дымовую трубу иначе, как через сетку, препятствующую проходу крупных искр. В результате удара о сетку часть искр отскакивает от неё, дробится и скапливается на дне дымовой коробки. Однако при таком устройстве приходится часто очищать дымовую коробку от изгари; сетки быстро перегорают и угольки. На современных мощных паровозах, в топках которых сжигается в единицу времени большое количество топлива, ставятся так называемые щитковые приборы. Эти приборы не только улавливают искры, но и частично дробят и измельчают их до размеров менее 1 мм, при которых искры не опасны в пожарном отношении. Хорошо ли это? И да, и нет. Хорошо, потому что отпадает надобность производить очистку дымовой коробки. Плохо, потому что в трубу безвозвратно вылетает много изгари, т. е. теряется значительное количество тепла. А ведь при смешении с углём собранную изгарь можно снова использовать для отопления паровозов. Рассмотрим устройство щиткового (дефлекторного) искрогасителя паровоза серии Л. Он состоит из вертикального и горизонтального щитов, соединённых между собой под прямым углом (фиг. 57). К горизонтальному сплошному щиту прикрепляется плохо задерживают крупные горящие
с наклоном искроудерживающая сетка, а на их стыке щиток-отражатель, который отклоняет газовый поток книзу. Таким образом, поток газов, выходя из жаровых и дымогарных труб, на своём пути огибает ряд щитов — фронтонный лист, щиток – отражатель и, наконец, через сетку устремляется к струе пара, выходящей из конуса. Этот прибор значительно повышает сопротивление газового тракта и в то же время не обе спечивает полностью искрогашения. Несмотря на кажущуюся простоту надёжная конструкция прибора для борьбы с искрами до сих пор ещё не создана, хотя предложений по этому вопросу имеется много. Некоторые из приборов находятся сейчас в стадии испытаний: например, знакомый нам газовый паросу-шитель (см. фиг. 50), который не только осушает насыщенный пар, но и «по совместительству» гасит искры. Посмотрим теперь, как конструкторы борются с дымом. Смесь дыма с паром, вылетающая из дымовой трубы,— нежелательный, но, к сожалению, почти постоянный спутник паровоза. Застилая окна будки машиниста, дым ухудшает видимость пути и путевых сигналов. Избавиться от дыма нельзя, зато можно прекратить или, во всяком случае, ослабить задымление окон будки машиниста. Делаются попытки поднять дым над паровозом силой встречного ветра. Для этого с боков дымовой коробки ставят вертикальные дымоотбойные щиты (фиг. 58). При таком расположении щитов поток встречного воздуха на быстром ходу паровоза двигается кверху, увлекая за собой дым, вылетающий из трубы.

Современные паровозы отапливаются преимущественно углём. Каменный уголь может содержать до 80% углерода. Углерод — основное горючее вещество любого топлива. Кроме углерода, горючими являются водород и частично сера. Содержащиеся в топливе азот и кислород, а также влага при горении топлива тепла не выделяют, а влага требует ещё и тепла для своего испарения. Минеральные примеси, находящиеся в топливе, при полном сгорании его претерпевают ряд химических превращений. В результате после сгорания топлива из минеральных примесей образуется негорючий остаток, называемый золой. Зола и влага являются вредными примесями, так как они загрязняют топливо и осложняют его горение. Поэтому их называют балластом топлива. При достаточно высокой температуре горючая часть топлива — углерод, водород, сера — быстро соединяется с кислородом воздуха, подводимого в топку. Быстро протекающее химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха, сопровождаемое выделением тепла и света, называется горением. В воздухе содержится более х/5 кислорода (20,91%) и почти 4/5 азота (78,15%). Небольшой процент (0,94%) падает на долю углекислоты и водяных паров. Горение поддерживает только кислород. Азот, как показывает само название этого газа («азот» — слово древнегреческое, обозначающее «безжизненный»), горения не поддерживает. Поэтому когда мы говорим о подводе в топку необходимого для горения воздуха, мы, собственно, подразумеваем подвод содержащегося в нём кислорода. Сколько же нужно подвести в топку воздуха, чтобы топливо сгорело наиболее полно? Здесь нам на помощь приходит химия. Она позволяет определить теоретически потребное количество воздуха. Установлено, что для полного сгорания 1 кг обычного каменного угля требуется около 10 кг воздуха. Так как 1 кг воздуха занимает объём примерно 0,8 м*, то для сжигания 1 кг каменного угля должно быть подведено приблизительно 8 м3 воздуха. Например, если в час на колосниковой решётке сжигается 3 ООО кг каменного угля, то за это время нужно подать в топку около 24 ООО м3 воздуха. Практически в топку подводится несколько большее количество воздуха, чем требуется по теоретическим подсчётам. Это объясняется тем, что процесс перемешивания воздуха с частицами топлива (особенно твёрдого топлива) и горючими газами происходит несовершенно. Вследствие этого некоторые частицы не успевают войти в соприкосновение с воздухом. Следовательно, если в топку подводить только теоретически необходимое количество воздуха, то сгорание будет неполным, а значит и тепла при этом выделится значительно меньше. Однако чрезмерно увеличивать количество подводимого воздуха невыгодно: слишком обильный его приток, хотя и обеспечивает наиболее полное сгорание топлива, но в то же время избыточный воздух, нагреваясь, отнимает у топлива тепло и температура в огневой коробке уменьшается. Практика показывает, что для полного сгорания углей выгоднее подавать воздуха в 1,2 —1,3 раза больше теоретически необходимого количества. Следовательно, для полного сжигания 3000 кг каменного угля нужно в течение часа подать в огневую коробку не 24 000 м3 воздуха, как указано в нашем примере, а около 30 000 м3. Чтобы заставить такое большое количество воздуха непрерывно поступать в топку, в котле паровоза создаётся сильная тяга (см. главу III).