Паровозыжелезнодорожный транспорт

В процессе передачи тепла воде температура её всё время возрастает. Когда термометр показывает 100°, вода испаряется не только с поверхности, но и изнутри во всей своей массе. Пар в виде мельчайших пузырьков зарождается главным образом у поверхностей нагрева, так как именно эти поверхности обладают наиболее высокой температурой. Образующиеся пузырьки пара быстро растут, так как они энергично забирают тепло от окружающих перегретых частиц воды, отрываются от поверхности, на которой они образовались, и в вертикальном направлении всплывают на поверхность воды, приводя всю воду в состояние бурного, вихревого движения: спокойное испарение жидкости переходит в интенсивное кипение. Когда жидкость закипит, дальнейшее повышение температуры прекращается, хотя воде, находящейся в открытом сосуде, непрерывно сообщается тепло. На что затрачивается это тепло? При кипении тепловая энергия, сообщаемая воде, идёт только на превращение воды в пар, т. е. на преодоление сил сцепления между молекулами. Для нагревания 1 кг воды от 0 до 100° нужно затратить 100 килокалорий, а для того чтобы полностью превратить 1 кг воды в пар при температуре 100°, требуется ещё 540 килокалорий, т. е. в 5 с лишним раз больше. Это тепло, затрата которого не сопровождается повышением температуры воды, называется скрытой теплотой парообразования. До сих пор мы рассматривали процесс получения пара в открытом сосуде, когда выходу молекул из воды препятствовало только давление окружающего воздуха. Иная картина получается в плотно закрытом сосуде с водой, каким в сущности является котёл паровоза. Здесь выходящему из воды пару остаётся только пространство, ограниченное поверхностью воды и стенками сосуда. Когда вода нагреется до 100°, из неё начнёт выделяться пар той же температуры. Выделяющийся пар, поднимаясь вверх, встретит препятствие в виде стенок сосуда. А так как молекулы находятся в постоянном движении, то в ограниченном пространстве котла участятся удары их друг о друга и о стенки котла. Удары миллиардов молекул в сумме и составляют давление пара. Молекулы пара, заполнившего замкнутое пространство сосуда, будут давить не только на его стенки, — они будут оказывать такое же воздействие на поверхность воды (зеркало испарения), препятствуя выделению пузырьков пара из толщи воды. Но так как нагревание не прекращается, то тепло будет затрачиваться на повышение температуры воды сверх 100°. При этом скорость движения частиц ещё больше увеличится, и как только давление внутри паровых пузырьков превысит давление сверху, новая порция пара поступит в пространство над уровнем воды. Количество молекул в паровом пространстве возрастёт, промежутки между ними уменьшатся, пар уплотнится. От этого число ударов молекул увеличится, а следовательно, возрастёт и давление пара. Это вызовет дополнительное увеличение внутренней энергии пара, т. е. затрату дополнительного тепла на повышение температуры воды, и описанный процесс парообразования повторится снова. Необходимо отметить, что этот процесс протекает непрерывно и очень быстро. Из этого следует, что температура кипения воды зависит от давления, действующего на её поверхность, и повышается с увеличением давления (фиг. 43). Например, при давлении по манометру 4 am температура котловой воды, а значит и пара, равна около 15Г, а при давлении 10 am — 180,3°. Если же довести давление в котле до 15 am* по манометру, то температура увеличится до 200°. Наоборот, при снижении давления температура кипения воды понижается. Таким образом, температура кипения зависит от давления, при котором происходит парообразование. Это обстоятельство и позволило разрешить проблему создания маневрового паровоза, работающего без отопления, и поэтому безопасного в пожарном отношении. Такие паровозы, получившие название безогневых, или бестопочных * На современных паровозах большой мощности давление пара в котле равно 15 — 16 am. (так как они не имеют топки), незаменимы для работы на нефтеперегонных заводах, бумажных и лесопильных фабриках и тому подобных огнеопасных предприятиях, где возможность возникновения пожара особенно велика. Общий вид бестопочного паровоза, построенного Муромским заводом по проекту Коломенского паровозостроительного завода, представлен на фиг. 44. Он имеет обычную паровую Машину и экипажную часть, но у него нет дымовой трубы и тендера, а вместо котла с топкой установлен котёл-аккумулятор, представляющий собой большой стальной резервуар (ёмкостью 21 м3) с хорошей теплоизоляцией.

Фиг. 43. Схема зависимости температуры кипения от давления пара при парообразовании в закрытом сосуде Котёл-аккумулятор до приведения паровоза в действие заполняется примерно на 2/3 водой, а затем паром из обычного парового котла или котельной установки предприятия (начальная заправка занимает 30—50 мин.). Пар, поступающий в самую нижнюю часть котла, нагревает воду. Постепенно температура воды в котле-аккумуляторе увеличивается и наступает момент, когда эта температура соответствует точке кипения при заданном давлении (16 am): паровоз готов к работе. Когда машинист открывает выпускной клапан, пар из котла-аккумулятора поступает в паровую машину, и паровоз трогается. При этом по мере расходования пара давление и температура в котле-аккумуляторе постепенно снижаются. Но так как со снижением давления уменьшается и температура кипения, вода всё время кипит и интенсивно выделяется пар. Бестопочные паровозы могут работать без повторной зарядки до тех пор, пока давление не снизится до 1—2 am. Однако практически они разряжаются до давления 3—4 am, при котором ещё обеспечивается достаточная для маневровой работы сила тяги паровоза. Повторная зарядка занимает 15-—25 мин. Процесс парообразования в котле обычного паровоза отличается интересными свойствами. Если, например, при неизменном подводе тепла выпустить из котла часть пара, то несмотря на частично осво- водившийся объём парового пространства давление находящегося там пара останется прежним. Это происходит потому, что место выпущенного пара сейчас же занимает новая порция пара, образовавшегося из воды.

Фнг. 44. Бестопочный паровоз При кипении пар уносит с собой частицы воды и является влажным. Вот почему непосредственно соприкасающийся с водой пар называют насыщенным. В котле паровоза всегда получается насыщенный пар; он содержит в себе от 3 до 5% влаги, т. е. в 1 кг пара находится в среднем от 30 до 50 г воды.

Тепловые процессы, связанные с образованием пара, протекают внутри котла. Между тем паровозная бригада должна наблюдать за уровнем воды в котле и знать давление пара в нём. Для этого в будке машиниста на лобовом листе кожуха топки (фиг. 66) устанавливаются контрольно-измерительные приборы, которые и относятся к арматуре котла. Одни из приборов — водоуказательные стёкла или водопробные краники — служат для контроля уровня воды в котле; другие — манометры — для контроля давления пара. К арматуре котла относятся также предохранительные клапаны, водоуспокоительная колонка, пирометр, вентили, краны и др. Водоукаватеяьиые (водомерные) стёкла При спокойном состоянии воды её уровень в котле паровоза, как и в любом сосуде, всегда остаётся горизонтальным (фиг. 67,а). Но с увеличением угла наклона сосуда слой воды становится больше на одной стороне сосуда и меньше на другой. А если в сосуде мало воды и его сильно наклонить, то дно сосуда частично обнажится. Паровозу приходится двигаться по разнообразному профилю пути. Когда паровоз идёт по спуску, а также при резком торможении, вода в котле перемещается вперёд и слой воды в передней части котла увеличивается (фиг. 67,6). Наоборот, в задней части котла, как раз там, где расположен потолок огневой коробки, слой воды при этом уменьшается и может случиться так, что какой-то участок потолка обнажится. В этом случае он быстро перегреется, т. е. его температура станет значительно выше, чем та, которую имел потолочный лист при нормальном уровне воды. В результате перегрева металла может произойти расстройство соединений потолочного листа с анкерными болтами, разрыв этого листа и взрыв котла. Поэтому потолки огневых коробок всех паровозов располагают не горизонтально, а с некоторым уклоном (фиг. 67,в). На паровозе серии Л, например, передняя часть потолка расположена выше задней на 75 мм. По своей относительной величине уклон потолка обычно несколько превосходит самые крутые спуски железных дорог.

Уклон увеличивает слой воды над задней частью огневой коробки по сравнению с передней. Если паровоз с площадки перейдёт на спуск, то хотя вода в котле и устремится вперёд, но потолок топки не обнажится, так как на спуске он сам будет приближаться к горизонтальному положению. Благодаря этому слой воды над потолком огневой коробки будет ровным. В котле необходимо всегда поддерживать определённый запас воды. Иначе не только на спуске, но даже и на площадке возникнет опасность обнажения потолка огневой коробки. Фиг. 67. Толщина слоя воды над задней частью огневой’ коробки (пунктиром обозначен уровень воды в котле, стрелками — толщина слоя воды над задней частью котла) Передняя часть потолка огневой коробки является самой высокой частью котла, обогреваемой непосредственно пламенем. Это самая высокая точка потолка, обозначенная табличкой «Нёбо топки» (фиг. 68 и 69). Уровень воды в котле измеряют именно от этой наивысшей точки. Пока над огневой коробкой находится достаточное количество воды, она отнимает от металла потолка избыточное тепло и предохраняет его от перегрева. После снижения уровня воды ниже предельного допускаемого происходит выплавление контрольных пробок (см. ниже), и если не будет произведено немедленного прекращения горения в топке, то при интенсивной работе топки достаточно нескольких минут, чтобы обнажённый от воды потолочный лист перегрелся до температуры 500—550°. При такой температуре прочность металла снижается более чем в четыре раза. Потолочный лист под давлением пара выпучивается, значительно вытягиваясь и нарушая тем самым соединение его с потолочными связями; в результате может произойти разрыв листа.

Фиг. 68. «Нёбо топки» и потолок огневой коробки Быстрое, почти мгновенное при разрыве листа снижение давления пара в котле вызывает бурное вскипание всей массы воды в котле, так как котловая вода имеет обычно температуру около 200°, а в условиях ^атмосферного давления кипение происходит при 100°. Мгновенно образовавшийся поток громадного количества пара вызывает взрыв котла с разрушением всех его частей. Вот почему необходимо, чтобы толщина слоя воды над «Нёбом топки» была не менее 100 мм. Это — минимально допустимый уровень воды в,котле, при котором потолок огневой коробки будет ещё застрахован от обнажения и перегрева.

Интересно отметить, что при уровне воды 100 мм над потолком топки в котле паровозов серий ФД и ИС имеется около 13,5 т воды. Наблюдая положение уровня воды в стекле по отношению к указателю низшего уровня, паровозная бригада регулирует ^питание котла водой. Чем же и как измеряется уровень воды в котле? Одним из приборов, с помощью которого паровозная бригада наблюдает за изменением уровня воды в котле, является водо-указательное (водомерное) стекло. Принцип действия водоуказателы-юго стекла основан’ на законе сообщающихся сосудов, уровень воды в которых (при одинаковом давлении в обоих сосудах) остаётся всегда одинаковым независимо от формы и размеров каждого из сосудов. Этим законом физики и воспользовались конструкторы паровых котлов. Посредством штуцеров и уплотнительных сальников водоуказательное стекло верхним концом сообщается с паровым пространством котла, а нижним— с водяным (см. фиг. 69). Поэтому уровень воды в котле и водоуказа-тельном стекле будет одинаковым. Нижний штуцер размещён на одном уровне с «Нёбом топки», т. е. с самой верхней точкой потолка огневой коробки. На лобовом листе котла каждого паровоза, вблизи водоуказа-тельного стекла, прикрепляется пластина с указателем и надписью «Низший уровень воды в котле». Паровозная бригада ни в коем случае и ни при каких условиях не должна допускать снижения уровня воды в котле ниже отметки «Низший уровень воды». В настоящее время новаторы транспорта и инженеры-конструкторы работают над созданием приборов, которые могли бы в случае понижения уровня воды в котле ниже допускаемого автоматически сигнализировать машинисту об опасности обнажения потолка огневой коробки. Водоуказательное стекло действует исправно, если каналы, соединяющие его с котлом, не засорены. Если каналы засорились, стекло даёт неверные показания. Чтобы показания водомерного стекла были правильными, его необходимо периодически продувать, для чего оба штуцера снабжаются вентилями и специальным продувательным краном. При открытии продувательного крана и одного из вентилей сильная струя пара устремляется в атмосферу, выталкивая накипь и грязь, скопившиеся в канале, который соединяет водоуказательное стекло с котлом. Если стеклянная трубка разобьётся, то, перекрывая вентили, её можно разобщить с котлом и заменить новой. Чтобы осколки стекла не причинили вреда паровозной бригаде, на водоуказательное стекло надевают ещё одно толстое предохранительное стекло, внутрь которого заделана металлическая сетка. На котле современного паровоза нет ни цилиндрического стекла, ни предохранительного футляра. Однако уровень воды в котле отчётливо виден и наблюдать за ним безопасно. Достигается это с по мощью специального плоского стекла (фиг. 70), f отлитого в форме толстого бруска. Это стекло вставляется на прокладках в металлический корпус (обойму) и плотно прижимается к нему. С паровым и водяным пространством котла плоское стекло (вернее, обойма. Фиг. 70. Схема установки"" плоского водоуказательного стекла на водоуспокоительной колонке его) сообщается так же, как и цилиндрическое, посредством штуцеров и вентилей. Часть плоского стекла, заполненная водой, кажется тёмной,,, а часть стекла, заполненная паром, остаётся светлой. Почему же вода кажется окрашенной?

Потому что задняя стенка стекла снабжена вертикальными призматическими рёбрами. Благодаря ребристой поверхности лучи света, падающие на стекло, преломляются, отчего вода и кажется тёмной. .Это позволяет отчётливо видеть уровень воды в стекле, а значит, и в котле. На современных мощных паровозах устанавливается два водо-указательных стекла: одно непосредственно на котле (левое), второе (см. фиг. 70) на водоуспококтельиой колонке (правое).

Для приготовления сжатого воздуха на каждом паровозе ставится насос (фиг. 156), приводимый в действие паром из котла. Пуск насоса осуществляется вручную (открытием парозапорного 14*

вентиля), но вся его дальнейшая работа протекает автоматически: специальный регулятор давления останавливает насос, если давление сжатого воздуха достигает заданной величины (обычно 8— 9 am), и снова пускает его в ход, когда давление снизится на 0,2—0,3 am, т. е. на величину чувствительности работы регулятора давления. Современный паро-воздушный компаунд-насос нагнетает в одну минуту до 3 ООО л атмосферного воздуха. Сжатый воздух, нагнетаемый насосом, подводится в место его накопления — в главный воздушный резервуар. Обычно на паровозе устанавливаются два соединённых воздухопроводом главных воздушных резервуара общей ёмкостью от 900 до 1 ООО л. Из главного воздушного резервуара сжатый воздух подаётся к крану машиниста и отсюда в длинный, уложенный вдоль всего поезда, воздухопровод (тормозную магистраль), а от него через воздухораспределители •— в запасные резервуары. Кран машиниста предназначен для управления давлением воздуха в магистрали, т. е. для управления автотормозами. Между паровозом, тендером и вагонами магистраль соединяется резиновыми соединительными рукавами. Под каждым паровозом и тормозным вагоном находятся запасные резервуары, тормозные цилиндры и воздухораспределители. Воздухораспределитель — сердце тормоза — распределяет сжатый воздух между магистралью, запасным резервуаром и тормозным цилиндром. Иными словами, тормозной цилиндр прямого сообщения с тормозной магистралью не имеет. При таком устройстве воздухораспределитель в одном случае сообщает магистраль с запасным резервуаром и тогда последний наполняется (заряжается) сжатым воздухом из магистрали (в этом случае тормозной цилиндр через воздухораспределитель сообщён с атмосферой), а в другом случае устанавливает прямое сообщение между запасным резервуаром и тормозным цилиндром и тогда последний наполняется сжатым воздухом из запасного резервуара. В процессе поступления в тормозной цилиндр сжатый воздух перемещает поршень со штоком, а вместе с ним и рычажную передачу, с помощью которой тормозные колодки прижимаются к колёсам. Чтобы представить действие автоматических тормозов, проследим за чередованием важнейших процессов (зарядки, торможения и отпуска), происходящих при управлении тормозами (см. фиг. 156). Зарядка. Перед отправлением поезда тормоз заряжается или, как принято говорить, производится зарядка тормозов. Зарядка тормозов заключается в наполнении магистрали и запасных резервуаров сжатым воздухом из главного резервуара паровоза. Для зарядки нужно повернуть рукоятку крана машиниста в положение (первое), при котором главный резервуар получит сообщение с тормозной магистралью поезда (фиг. 156, а).

Зарядка считается оконченной, когда давление в магистрали и запасных резервуарах достигнет установленной величины (для грузовых поездов 5,3—5,5 am и пассажирских 5,0—5,2 am). Это давление устанавливается краном машиниста и контролируется по манометру. После того как давление в магистрали достигает указанных величин, рукоятку крана машиниста переводят в следующее положение, называемое поездным, при котором указанное давление поддерживается автоматически, независимо от утечек. При зарядке давление сжатого воздуха в магистрали повышается; части (внутренние органы) воздухораспределителя устанавливаются в такое положение, при котором воздух из магистрали направляется в запасный резервуар. В тормозной цилиндр сжатый, воздух при этом пройти не может, цилиндр остаётся сообщённым с атмосферой, и тормозные колодки, как это видно из фиг. 156, а, не прижимаются к колёсам. Торможение. Для торможения необходимо, чтобы воздух из запасного резервуара был выпущен в тормозной цилиндр, который предварительно должен быть изолирован от атмосферы. Это достигается тем, что машинист, ставя рукоятку крана машиниста в тормозное положение, выпускает часть воздуха из тормозной магистрали в атмосферу. При некотором снижении давления в магистрали воздухораспределитель приходит в действие и его части устанавливаются в такое положение, при котором запасный резервуар соединяется с тормозным цилиндром и разобщается с магистралью, как показано на фиг. 156, б. Тогда
под напором
сжатого воздуха, перетекающего из запасного резервуара в тормозной цилиндр, поршень последнего будет перемещаться вместе со штоком и, воздействуя на рычажную передачу, прижмёт тормозные колодки к бандажам колёс. В зависимости от силы нажатия колодок поезд или остановится или скорость его уменьшится. Чтобы ещё раз понизить давление в магистрали, нужно повернуть рукоятку крана машиниста в положение, при котором магистраль снова соединяется с атмосферой. Разумеется, что в этом случае давление в магистрали понизится, воздухораспределитель вновь сообщит запасный резервуар с тормозным цилиндром и тормозные колодки с помощью рычажной передачи с большей силой прижмутся к колёсам. Схема расположения и подвески тормозных колодок на паровозе показана на фиг. 157. Отпуск. Получив нужную степень торможения, машинист выключает тормоза или, как говорят железнодорожники, производит отпуск тормозов. Для этого он с помощью крана машиниста соединяет главный резервуар с магистралью (см. фиг. 156, а). Впуск сжатого воздуха в магистраль сопровождается повышением давления в ней до установленного. После этого рукоятка крана машиниста переводится в поездное положение, при котором давление в магистрали в дальнейшем автоматически поддерживается 5—5,2 или 5,3—5,5 am. При этом части воздухораспределителя устанавливаются в первоначальное положение, т. е. выпускают сжатый воздух из тормозных цилиндров в атмосферу и одновременно наполняют запасные резервуары сжатым воздухом из магистрали. Тормоз вновь готов (заряжен) для следующего торможения. Итак, понижение давления воздуха в магистрали вызывает торможение поезда, а повышение давления — отпуск тормозов. Наполнение сжатым воздухом тормозных цилиндров происходит из запасных резервуаров,предварительно заряженных до давления 5—5,2или 5,3—5,5 am в зависимости от рода поезда — пассажирский или грузовой. В этом и заключается общий принцип действия всех автоматических воздушных тормозов, применяемых на железнодорожном транспорте. Хотя рассмотренный нами тип тормоза является автоматическим, но он непрямодействующий (истощимый). Это значит, что при длительном торможении запас сжатого воздуха (в запасном резервуаре) может истощиться: в процессе торможения запасный резервуар воздухораспределителем разобщён с магистралью, а магистраль краном машиниста разобщена с главным резервуаром. Поэтому воздух в тормозной цилиндр может поступать только из запасного резервуара, объём которого ограничен, и утечки воздуха восполняться не будут. Вследствие этого давление в тормозных цилиндрах, а значит, и тормозная сила поезда, постепенно уменьшатся. Чтобы вновь восстановить высокое давление воздуха в тормозном цилиндре, необходимо сообщить магистраль с главным и запасными резервуарами. Для этого машинист должен произвести отпуск и зарядку тормоза. Лишь после такой перезарядки можно снова начинать торможение. На это требуется затратить некоторое время, потеря которого при торможении, особенно на спусках, весьма опасна, а иногда и вовсе недопустима. Таким образом, главным недостатком непрямодействующего автоматического тормоза является его истощимость.

Автоматическим тормозам системы Матросова и Казанцева не присуща истощимость. Воздухораспределители советских тормозов так устроены, что при недостатке воздуха в запасных резервуарах они пополняются из магистрали, которая в свою очередь получает воздух из главного резервуара паровоза через кран машиниста. Таким образом, при любых условиях запасные резервуары всегда обеспечены нужным количеством сжатого воздуха. Тормоза системы Матросова и Казанцева являются неистощимыми, поэтому они называются прямодействующими автоматическими тормозами. Лучший из них тормоз Матросова в 1930 г. принят типовым для грузового подвижного состава железных дорог СССР. С 1953 г. подвижной состав оборудуется тормозом Матросова (МТЗ-135), который наряду с указанными достоинствами обладает также лёгким отпуском, более быстрым наполнением тормозных цилиндров и наличием ускорителей для экстренного торможения. . Отпуск тормозов называется лёгким потому, что тормозные колодки в длинносоставном поезде отходят от бандажей в течение 40—50 сек. вместо 2—3 мин. при старом тормозе. Быстрое наполнение тормозных цилиндров обеспечивает значительное сокращение тормозных путей.

Паровая машина паровоза приводится в действие перегретым паром, т. е. таким, температура которого в 2—2,5 раза выше температуры насыщенного пара при том же давлении. На новейших паровозах температура перегретого пара достигает 450°. Чтобы нагляднее представить себе выгоды, связанные с применением перегретого пара, сопоставим два одинаковых паровоза с давлением пара в котле (по манометру) 15 am. Пусть первый локомотив работает насыщенным паром с влажностью 5%, а второй — перегретым паром, температурой 400°. Паровая машина паровоза, работающего насыщенным паром, потребляет в час примерно 10 000 кг пара. Высчитаем, сколько будет расходовать перегретого пара машина второго паровоза. Установлено, что 1 кг насыщенного пара при давлении 15 am по манометру занимает объём 0,126 мя. Значит, 10 ООО кг пара занимают объём, разный 0,126 х 10 ООО = 1 260 м3. Если же 1 кг пара нагреть при этом же давлении до 400°, то он займёт объём 0,194 м3, а 10 000 кг — 1 940 м8, т. е. на 680 м8 больше, чем такое же весовое количество насыщенного пара. Из этого следует, что для заполнения одного и того же цилиндра (объёма) потребуется меньшее весовое количество перегретого пара. Обращаясь к нашему примеру, видим, что для заполнения в течение часа того же объёма (1 260 м3) перегретым паром потребуется уже не 10 000 кг пара, а только 1 260 : 0,194 = 6 500 кг. Сбережение значительного количества пара, а следовательно, и воды даёт возможность сэкономить топливо при выполнении той же работы. Но может возникнуть вопрос, каким же образом получается экономия топлива, если для перегрева пара требуется добавочное тепло? На первый взгляд кажется, что, выигрывая на увеличении объёма пара, мы проигрываем на затрате тепла, которое требуется для перегрева. Однако это не так. Например, при давлении по манометру 15 am и температуре 200° на приготовление 1 м3 насыщенного пара расходуется 5 200 ккал, а при тех же 15 am и перегревании пара до 400° на получение 1 м3 перегретого пара затрачивается только 4 000 ккал. Использование перегретого пара вместо насыщенного даёт экономию примерно 20—25% топлива и 30—40% воды. Другим ценным свойством перегретого пара по сравнению с насыщенным является то, что он не выделяет капелек воды при охлаждении, расширении или снижении давления, т. е. не конденсируется, пока его температура не достигнет температуры насыщенного пара. Почему вредна конденсация? Пар, превратившийся в воду, естественно, работы не производит, вследствие чего в машину надо вводить некоторое количество добавочного пара. В паровых машинах, работающих насыщенным паром, потери от конденсации составляют 25—60%. Они складываются из потерь на так называемую первоначальную и внутреннюю конденсацию. Не останавливаясь подробно на этих довольно сложных явлениях, отметим лишь главное. Читателю известно, что определённому давлению насыщенного пара соответствует определённая его температура. В цилиндры паровой машины пар впускается при давлении примерно 15 am, а выпускается при давлении 1,5—2 am. При этом впуск и выпуск пара производятся через одни и те же каналы цилиндров. Температура стенок каналов после прохода по ним отработавшего пара будет значительно ниже температуры свежего пара, впускаемого в цилиндры через те же каналы. Из-за соприкосновения со сравнительно холодными внутренними поверхностями каналов и цилиндра часть пара оседает на них в виде росы—• происходит первоначальная конденсация. Внутренняя конденсация в отличие от первоначальной происходит не на стенках каналов и цилиндров, а во всём рабочем объёме цилиндров. При высокой же температуре перегрева пар не конденсируется в течение всего времени нахождения его в цилиндрах машины. Следовательно, потери на конденсацию уменьшаются, а это позволяет уменьшить расход пара.

Предохранительные клапаны служат для предохранения котла от взрыва, когда давление пара в нём превысит нормальное. Какова бы ни была причина чрезмерного увеличения давления (это возможно, например, когда паровая машина потребляет пара меньше, чем вырабатывает котёл), предохранительные клапаны автоматически открываются, выпуская из котла часть пара, и тем самым снижают давление. На чём же основана работа предохранительного клапана? Наглядное пояснение этому даёт упрощённая схема действия клапана, изображённая на фиг. 75, а.

flap из котла фиг. 75. Схема и устройство предохранительного клапана Спиральная пружина, надетая на стержень, верхним концом упирается в шайбу, а нижним через другую шайбу — в тарелку клапана. Таким образом, сверху на клапан действует усилие пружины, рассчитанное на рабочее котловое давление, а снизу — давление пара в котле. Пока давление пара меньше усилия, создаваемого пружиной (или равно ему), клапан закрыт. Но как только давление в котле возрастёт сверх предельно установленного, клапан моментально поднимается и пар с шумом вырывается через отверстия наружу, в атмосферу. Когда избыток пара выйдет из котла и давление в нём снизится, клапан снова закроется. Предохранительные автоматические клапаны устанавливают на верхней части кожуха топки, сухопарника или барабанов цилиндрической части котла. Котёл паровоза должен иметь не менее двух предохранительных клапанов; обычно их бывает три. Каждый из предохранительных клапанов отрегулирован на определённое давление. Регулировка производится затягиванием или ослаблением пружины. Если давление пара в котле увеличится на 0,2 am сверх нормального, автоматически открывается и начинает выпускать излишний пар из котла только один из предохранительных клапанов. Этим обеспечивается наименьшая потеря пара. Если же стрелка манометра перейдёт за красную черту ещё на 0,2 am, в действие приходят второй и третий клапаны. Наличие нескольких клапанов, отрегулированных на разное давление, позволяет быстро снизить давление пара в котле до нормального при наименьшем расходе пара, выпускаемого в атмосферу. Сработав, клапан прекращает выпуск пара только после того, как давление в котле упадёт несколько ниже нормального. Выход пара через предохранительные клапаны сопровождается резким шумом, который привлекает внимание паровозной бригады. Услышав предупреждающий сигнал, паровозная бригада немедленно должна принять меры к снижению давления в котле. Чтобы снизить давление, надо остановить углеподатчик, т. е. прекратить подачу угля в топку, и включить инжектор, т. е. качать сравнительно холодную воду в котёл. При этом температура воды в котле понизится и парообразование уменьшится. Кроме того, часть пара будет расходоваться на работу инжектора. Итак, предохранительные клапаны срабатывают при заранее заданном давлении. Изменить нагрузку на клапаны паровозная бригада не может: они запломбированы и снабжены приспособлениями, не допускающими изменения нагрузки.

При проектировании паровозов конструкторы рассчитывают детали котла так, чтобы они были прочны и могли служить длительный срок, не разрушаясь при определённом давлении пара в котле. Повышение давления сверх расчётного может привести к расстройству соединений котла и даже к взрыву. Вот почему для безопасной работы паровоза надо всегда знать величину давления пара в котле. Прибор, который указывает это давление, называется манометром (фиг. 73 и 74). Правильность и чувствительность показаний этого важнейшего прибора во многом предопределяет действия паровозной бригады по управлению паровозом. Механизм манометра заключён в металлический корпус, закрытый циферблатом. Каждое, даже самое незначительное изменение давления пара в котле, немедленно передаётся указательной стрелке на циферблате манометра, установленного на лобовом листе кожуха топки (см. фиг. 66). Основной частью манометра является упругая, овального сечения полая трубка, изогнутая в виде буквы С (см. фиг. 73). Один конец трубки запаяй, другой сообщается с паровым пространством котла, в котором требуется измерить давление. Такая трубка, наполненная паром (или конденсатом), представляет собой нечто вроде пружины: при повышении давления в котле она стремится выпрямиться, а при понижении— вернуться в первоначальное положение. Эта деформация трубки-пружины передаётся указательной стрелке, соединённой при помощи несложной системы рычагов, зубчатого сектора и шестерёнки с запаянным концом трубки. Отклоняясь, стрелка показывает на шкале манометра величину давления. Промежуток между большими чёрточками шкалы равен одной атмосфере. Цифры против делений позволяют прочесть показания манометра. На современных паровозах для удобства наблюдения паровой манометр делается двусторонним, т. е. снабжается двумя циферблатами, один из которых обращен в сторону машиниста, а другой — в сторону его помощника (см. фиг. 74).

Фиг. 73. Схема устройства Фиг. 74. Общий вид парового парового манометра манометра 4 На шкале манометра наносится красная черта, указывающая предельно допускаемое давление пара в котле. Переступив красную черту — границу наивысшего допускаемого давления, стрелка манометра будет показывать, что работа котла небезопасна. Манометр должен быть запломбирован и иметь отметку о времени проверки. Машинист никогда не должен допускать превышения установленного давления. Но если почему-либо он не заметит, как давление превысит допустимое, автоматически начинают действовать предохранительные клапаны, выпускающие избыток пара из котла.