Паровозыжелезнодорожный транспорт

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

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%.

Котёл паровоза схематично изображён на фиг. 12. На первый взгляд устройство котла кажется простым: есть топка, в которой, сжигается топливо и образуются раскалённые газы, есть резервуар, где нагревается вода и получается сжатый пар, есть и камера с трубой для отвода газов сгорания из топки. Однако, рассматривая котел более внимательно, мы увидим, что он устроен и работает по довольно сложной схеме. Тепло, необходимое для нагревания воды, выделяется в топке. Обычная топка паровозного котла представляет две коробки, вставленные одна в другую и соединённые между собой (фиг. 13). Внутрен-

нюю коробку, в которой при сжигании топлива образуется огонь, называют огневой коробкой, а наружную — кожухом топки. В огневой коробке простейшего вида различают пять листов: потолок и четыре стенки, из которых две боковые, одна задняя и одна передняя с рядом отверстий; последняя называется задней трубной решёткой (в отличие от передней трубной решётки, см.

Фиг. 13. Огневая коробка и кожух топки в разрезе ниже). В отверстия решётки вставляются концы специальных газоходов — дымогарных и жаровых т р у б. По трубам проходят топочные газы (продукты сгорания). Снизу огневая коробка имеет колосниковую решётку, на которую забрасывают уголь или другое твёрдое топливо. Колосниковая решётка (см. фиг. 13) собирается из чугунных плит-колосников, которые по всей площади имеют прорези. Площадь прорезей составляет так называемое живое сечение колосниковой решётки, сквозь которое в топку поступает атмосферный воздух, необходимый для сгорания топлива. К колосниковой решётке воздух попадает через зольник (фиг. 14), имеющий для этой цели боковые клапаны, открывающиеся при помощи рычажного механизма. Зольник размещается под колосниковой решёткой и представляет собой двух- или трёхбункерный ящик. Бункера закрываются днищами. На новых паровозах благодаря специальному механизму днища бункеров можно легко открыть и закрыть. Через прорези в колосниках в зольник проваливаются зола и мелкие несгоревшие частицы топлива. На современных паровозах применяются качающиеся колосниковые решётки, которые можно на стоянках и на ходу паровоза прокачивать для очистки топки от шлака. Рычаги управления качающимися колосниками находятся в будке машиниста. Перемещая тот или иной рычаг, кочегар заставляет группу колосников занимать наклонное положение

(угол наклона не менее 45°). От этого слой шлака взламывается и в виде мелких кусков сбрасывается в зольник. ,[_^] Таким образом, зольник предназначен для подвода воздуха к сжигаемому топливу и для сбора шлака и мелких несгоревших частиц топлива. Эти остатки периодически высыпаются из зольника при открытии днищ бункеров. Новейшие советские паровозы оборудуются колосниковыми решётками с механическим приводом для прокачивания колосников (фиг. 15). Привод действует сжатым воздухом, поступающим в воздушные цилиндры. Такой механизм облегчает труд паровозных бригад. Площадь колосниковой решётки в значительной степени определяет мощность паровоза. Чем больше размеры колосниковой решётки, тем большее количество топлива можно сжечь на ней и тем больше получить тепла. Чем больше площадь колосниковой решётки, тем мощнее паровоз. На протяжении многих лет конструкторы увеличивали площади колосниковых решёток. Есть паровозы, у которых она достигает 12 мг. Но иметь большую площадь решётки — это ещё не всё. Важно получить большой объём и развитую поверхность стенок огневой коробки. Малая поверхность не успеет поглотить большое количество тепла, выделенного при сжигании топлива. Поэтому вода в котле получит мало тепла.

Фиг. 15. Общий вид стенда для испытания и наладки механического привода колосниковой решётки Наилучшее парообразование дают такие топки, у которых поверхность нагрева стенок огневой коробки примерно в четыре раза превышает площадь колосниковой решётки. Хотя топки котлов современных паровозов несравненно более совершенны, чем у их «предков» — черепановских паровозов, всё же до сих пор создание наивыгоднейшей формы топки встречало много трудностей. Огневой коробке придают такие размеры и форму, которые позволили бы сжигать топливо как мо
жно полнее и быстрее и полу

Раньше подача угля из тендера в топку производилась только вручную: помощник машиниста лопатой захватывал уголь с лотка, а кочегар быстро распахивал топочные дверцы. В этот момент помощник машиниста забрасывал уголь на горящий слой топлива. Затем дверцы снова закрывались и всё повторялось сначала. Такое отопление называлось отоплением «вприхлопку». Для чего кочегар то и дело закрывал дверцы топки? Ведь и четверть минуты не проходило, как вслед за одной порцией угля в топку забрасывалась новая. Это приходилось делать для того, чтобы не охладить топку наружным воздухом, врывающимся через открытые топочные дверцы. При сравнительно малых размерах колосниковой решётки ручной способ отопления себя оправдывал. Помощник машиниста при интенсивной работе за час загружал в топку около 2,0—2,5 т угля. Этого было достаточно, чтобы паровоз развивал мощность около 1 500 л. с. Дальнейшее увеличение мощности паровозов было прямо связано с увеличением размеров котла и прежде всего размеров топки. Обслуживать огромные топки современных паровозов мощностью 2 500—3 000 л. с. ручным способом очень трудно. Поэтому на всех паровозах, имеющих топки с колосниковыми решётками площадью 0 .и* и выше, подача угля механизирована.

Устройство для механической подачи угля из тендера в топку называется углеподатчиком. Уголь поступает в топку при закрытой дверце и равномерно распределяется по колосниковой решётке. Раньше это устройство называли «механическим кочегаром» (стокером), что неправильно, так как отопление паровоза производит не кочегар, а помощник машиниста. Кочегар по указанию помощника машиниста только подготовляет топливо для загрузки в топку. Для того чтобы понять, как работает углеподатчик, обратимся к фиг. 63 и 64.

Фиг. 64. Общий вид углеподатчика ‘, На раме тендера под днищем угольного бункера укреплено корыто^ Внутри корыта (см. фиг. 64) размещён конвейерный винт, который по внешнему виду похож на винт мясорубки, только гораздо больших размеров. Длина этого винта достигает нескольких метров. Он приводится во вращение небольшой паровой машиной, находящейся в специальном ящике тендера. Корыто сверху закрывается заслонками. Когда отодвигают одну из заслонок, уголь проваливается в корыто (см. фиг. 33), захватывается конвейерным винтом и постепенно перемещается вперёд. При выходе из корыта уголь попадает в особый (телескопический) трубопровод, расположенный между паровозом и тендером. Чтобы отдельные куски угля не застряли в трубопроводе, спереди корыта установлен угледробитель. Трубопровод имеет телескопическое и шаровое соединение, так как при движении паровоз и тендер взаимно перемещаются в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Внутри трубопровода помещаются два малых винта, шарнирно соединённых между собой и с главным винтом. Они передают уголь дальше на распределительную плиту (фиг. 65), укреплённую внутри огневой коробки у топочного отверстия. Между плитой и трубопроводом находится парораспределительная коробка с паровыми соплами, объединёнными в группы. Непрерывно подаваемый на распределительную плиту уголь попадает в сильный поток мелких паровых струй, вытекающих из сопел. Сдуваемый паром с плиты уголь разбрасывается по всей колосниковой решётке на раскалённый слой топлива.

Фиг. 65. Распределительная плита (вид изнутри огневой коробки) Группы сопел расставлены так, что каждая из них обслуживает определённые места колосниковой решётки. Для более равномерного разбрасывания угля распределительная плита снабжена направляющими рёбрами. Впуск пара в сопла регулируется вентилями, находящимися под рукой помощника машиниста. Современный углеподатчик может подать в течение часа 7—8 т угля. Недостатком механической подачи угля является то, что при применении этого способа отопления значительно увеличивается потеря тепла из-за уноса мелких несгоревших частиц угля в дымовую трубу. На паровозах, оборудованных углеподатчиками, потери тепла с уносом нередко достигают 30%. Из-за этого резко снижается экономичность машины. Машинист-инструктор Томской железной дороги т. Гисич предложил прибор, позволяющий значительно снизить потери тепла от уноса. В хоботе углеподатчика просверливается отверстие. В него вставляется трубка, по кот