Паровоз

Паровоз — автономный локомотив с паросиловой установкой, то есть использующий в качестве двигателя паровую машину. Паровозы были первыми передвигающимися по рельсам тяговыми транспортными средствами, само понятие локомотив появилось гораздо позже и именно благодаря паровозам. Паровоз является одним из уникальных технических средств, созданных человеком, и роль паровоза в истории трудно переоценить. Так, благодаря ему появился железнодорожный транспорт, и именно паровозы выполняли основной объём перевозок в XIX и первой половине XX века, сыграв колоссальную роль в подъёме экономики целого ряда стран. Паровозы постоянно улучшались и развивались, что привело к большому разнообразию их конструкций, в том числе и отличных от классической. Так, существуют паровозы без тендера, с шестернями, турбинами, и даже такие, для работы которых не нужно сжигать топливо. Однако с середины XX века паровоз был вынужден уступить более совершенным локомотивам — электровозам и тепловозам, которые существенно превосходят паровоз по экономичности. Тем не менее, паровозы ещё продолжают работать, водя поезда, а в ряде стран они и поныне продолжают работать на магистралях.

Этимология

Изобретение русского слова «паровоз» приписывается И. Гречу, который в середине XIX века издавал газету «Северная пчела». До этого паровоз называли «самокатная паровая машина» (или просто «машина»), «паровая фура», «паровая телега», «пароходка» — у Черепановых и В.А. Жуковского, и даже «пароход». В 1836 году в связи с предстоящим открытием Царскосельской железной дороги в «Северной пчеле» №223 от 30 сентября появилось следующее сообщение: Немедленно по прибытии паровых машин, которые для отличия от водяных пароходов можно было бы назвать паровозами, последуют опыты употребления их…

В первых отчётах строителя Царскосельской железной дороги Ф.А.Герстнера встречается: «паровая машина», «паровой экипаж», «паровая карета». С 1837 года Герстнер уже использует слово «паровоз». В отчётах Царскосельской железной дороги слово «паровоз» впервые появляется 8 февраля того же года

Классификация паровозов

Немецкий паровоз «Expirimental»

Классификация паровозов весьма разнообразна. Чаще всего выделяют семь основных признаков

1. По осевой формуле, которая описывает число бегунковых, движущих и поддерживающих осей. Методы записи осевых формул (типов), весьма разнообразны. В русской форме записи учитывают число каждого типа осей, в английской — каждого типа колёс, а в старогерманской учитывают только общее число осей и движущих. Так, осевая формула китайского паровоза QJ в русской записи будет 1-5-1, в английской — 2-10-2, а в старогерманской — 5/7. Помимо этого, за многими типами закрепились названия из американской классификации, например: 2-2-0 — «Америкен», 1-3-1 — «Прери», 1-4-1 — «Микадо», 1-5-0 — «Декапод».
2. По роду службы — пассажирские, грузовые (товарные), маневровые и промышленные.

   

   

   Российский паровоз Паровоз Р с паровой машиной тандем-компаунд

3. По числу цилиндров паровой машины — двух- и многоцилиндровые (3 или 4 цилиндра). Наибольшее распространение получили двухцилиндровые паровозы как более простые и надёжные по конструкции, однако многоцилиндровые имеют лучшие динамические показатели.
   У трёхцилиндровых паровозов 2 цилиндра расположены снаружи рамы, а третий между её боковинами. Примеры трёхцилиндровых паровозов: советский серии М, немецкий «Expirimental» и чехословацкий «Друг».
   У четырёхцилиндровых паровозов (паровая машина в этом случае в основном типа компаунд) два цилиндра располагаются снаружи рамы, а остальные два могут располагаться либо между половинами рамы (серии Л, У, Фл), либо снаружи, причём в этом случае 2 цилиндра с каждой стороны в свою очередь могут располагаться либо друг за другом (тандем-компаунд, пример — серии Р), либо друг над другом (системы Воклена, пример — паровозы В и Д американского производства).
4. По роду применяемого пара — на насыщенном и перегретом паре. В первом случае получившийся после испарения воды пар сразу поступает в цилиндры паровой машины. Такая схема применялась на первых паровозах, но была весьма неэкономичной и сильно ограничивала мощность. С начала XX века стали получать паровозы, работающие на перегретом паре. В данной схеме пар после получения дополнительно нагревается в пароперегревателе до более высокой температуры (свыше 300 °C), а затем поступает в специальную ёмкость (сухопарник), где очищается от остатков насыщенного пара, после чего поступает в цилиндры паровой машины. Такая схема позволяет получить значительную экономию в паре (до 1/3), а следовательно в топливе и воде, благодаря чему стала применяться на подавляющем большинстве выпускавшихся мощных паровозов.
5. По кратности расширения пара в цилиндрах машины — с простым и многократным расширениями. В случае применения простого расширения, пар из парового котла поступает в паровой цилиндр, а после, буквально, выбрасывается в трубу. Такая схема применялась на ранних паровозах. В дальнейшем на паровозах стали применять двукратное последовательное расширение пара, вместо простой паровой машины при этом стали применять компаунд. По такой схеме пар из парового котла сперва поступает в один цилиндр (цилиндр высокого давления), а затем в другой (цилиндр низкого давления), лишь после чего выбрасывается в атмосферу. При работе на насыщенном паре, такая схема позволяет получить до 13 % экономии в топливе. С паровыми машинами компауд двукратного расширения на рубеже XIX—XXвв. выпускалось достаточно большое количество паровозов (в том числе и знаменитая серия О — овечка), однако с началом применения перегретого пара, паровые машины стали вновь заменять на простые. Это связано с тем, что при перегретом паре машина компаунд позволяет получить до 7 % экономии топлива, но сама конструкция при этом излишне усложняется. В связи с этим уже с 1910-х практически все мощные паровозы стали выпускать с простыми паровыми машинами. Тем не менее на многих паровозах (например, российские и советские О и Ы) применялось двукратное расширение перегретого пара, а во многих странах такие паровозы выпускались и в конце 1940-х — начале 1950-х (например, тот же чехословацкий «Друг»).
   Также есть данные о том, что в ряде стран (в том числе и в Российской империи) были попытки создать паровозы с трёхратным расширением пара, однако такие паровозы оказались неудачными.

   

   

   Африканский сочленённый паровоз системы Гарратт

6. По числу экипажей, размещённых под котлом. В данном случае наибольшее распространение получили паровозы с одним экипажем, то есть с одной жёсткой рамой, так как такая конструкция довольно проста. Для увеличения силы тяги при неизменной нагрузки от осей на рельсы необходимо увеличивать число движущих осей, но их максимальное число в экипаже ограничивается по условиям вписываемости в кривые. Примером может служить опытный советский паровоз АА20-01, который был единственным в мире паровозом с семью движущими осями в одной жёсткой раме, который оказался технической ошибкой, так как неудовлетворительно вписывался в кривые и часто сходил на стрелках. Поэтому нередко применялись паровозы с двумя экипажами, то есть на 2 поворотных тележках. Паровозы такого типа получили название сочленённые, и существует достаточно большое количество схем их конструкций — Ферли, Мейера, Гарратт. Основные недостатки всех сочленённых паровозов — громоздкость конструкции, более высокая стоимость и весьма сложная конструкция паропроводов, а также большие потери пара при его передаче от котла к цилиндрам. Также существует так называемый полугибкий тип (система Маллета), когда на поворотной тележке расположена лишь одна группа (чаще всего передняя) движущих осей, вторая же находится в основной раме.
7. По величине давления пара в котле.

Устройство и принцип действия паровоза

Несмотря на разнообразие конструкций, все паровозы имеют три основные взаимосвязанные части: паровой котёл, паровая машина и Паровой котёл служит для получения пара, то есть является первичным источником энергии. Пар на паровозе является основным рабочим телом во многих устройствах и механизмах и прежде всего в тяговой паровой машине, которая преобразует энергию пара в возвратно-поступательное движение поршня], которое в свою очередь с помощью кривошипно-шатунного механизма трансформируется во вращательное, заставляя крутиться движущие колёса. Помимо этого, пар служит для привода паровоздушного насоса, паротурбогенератора, а также используется в звуковых сигналах — свистке и тифоне. Экипаж паровоза, состоящий из рамы и ходовых частей, является как бы передвижным основанием (остовом) паровоза и служит для несения оборудования и для передвижения паровоза по рельсам. Также иногда в основные части паровоза включают и тендер — прицепляемый к локомотиву вагон, служащий для хранения запасов воды и топлива.

Паровой котёл

Паровой котёл. Показаны основные компоненты, а также движение потоков газов, воды и пара

Так как паровой котёл является первичным источником энергии, то это делает его главным компонентом паровоза. В связи с этим к котлу предъявляется целый ряд требований. К этим требованиям прежде всего относится надёжность (безопасность) работы котла — обусловлено тем, что давление пара может достигать очень высоких значений (до 20 атм. и выше), что превращает котёл в потенциальную бомбу, и какой-либо дефект конструкции может привести к взрыву, тем самым заодно лишив паровоз источника энергии. Именно взрыв парового котла был одним из наиболее веских аргументов против введения паровозной тяги в XIX веке. Также паровой котёл должен быть удобен в управлении, обслуживании и ремонте, иметь возможность работы на различных видах и сортах топлива, быть как можно более мощным, а также экономичным.

Паровой котёл состоит из частей, которые для удобства часто делят на пять групп:

1. основные части;
2. гарнитура;
3. арматура;
4. паропровод и пароперегреватель;
5. вспомогательное оборудование.

Основные части котла

Классический паровой паровозный котёл состоит из следующих основных частей (на рисунке выше — слева направо): топка, цилиндрическая часть и дымовая коробка.

Топка Бельпера в разрезе

В топке (она же — камера сгорания) заключённая в топливе химическая энергия преобразуется в тепловую. Конструктивно топка представляет собой две вложенные друг в друга стальные коробки: огненная коробка (собственно топка) и кожух, соединённые между собой специальными связями. Паровозная топка работает в крайне тяжёлых температурных условиях, так как температура от сгоревшего топлива может достигать 700°C при угольном отоплении и свыше 1600°C — при нефтяном. Также между огненной коробкой и кожухом при работе находится слой пара под большим давлением (десятки атмосфер). Поэтому топку собирают из минимально возможного числа деталей, в частности огненная коробка часто состоит из пяти листов: потолок, два боковых, задний и трубчатая решётка. Последняя является местом перехода от топки к цилиндрической части.

В нижней части топки расположена колосниковая решётка, которая служит для поддержания слоя горящего твёрдого топлива. А в заднем листе расположено шуровочное отверстие, через которое забрасывается топливо. На мощных паровозах в верхней части топки расположены циркуляционные трубы и (или) термосифоны, служащие для повышения циркуляции воды в котле. На этих трубах крепится специальный свод из кирпичей, защищающий потолок и трубчатую решётку от воздействия открытого пламени.

Между собой топки различают по форме потолка: с плоским потолком и радиальные. Топка с плоским потолком (топка Бельпера) имеет относительно большой объём огненной коробки, благодаря чему обеспечивается полнота сгорания топлива. В результате такие топки были весьма распространены у ранних паровозов, а в ряде стран выпускались вплоть до конца паровозостроения. Но так как плоские листы хуже противостоят высокому котловому давлению, то на мощных паровозах требуется устанавливать большое число связей между огненной коробкой и кожухом. Поэтому на мощных паровозах стали применять топки с радиальным потолком (радиальная топка), которые легче топки Бельпера и лучше противостоит высокому давлению пара. Но у радиальной топки есть серьёзный недостаток: относительно малый объём топочного пространства, из-за чего топливо сжигается менее эффективно. А результате в передней верхней части таких топок нередко устанавливают камеру догорания, которая улучшает эффективность сгорания топлива (хотя нередко это мнение преувеличивают).

Паровой котёл паровоза DRB BR 50 в разрезе. Видна цилиндрическая часть котла со множеством дымогарных и жаровых труб

Цилиндрическая часть парового котла является его основной частью, так как именно в ней происходит основное парообразование. По сути, цилиндрическая часть является дымогарным котлом, так как нагрев воды происходит за счёт проходящих через неё большого числа (до нескольких сотен штук) дымогарных труб, внутри которых протекают тепловые воздушные потоки. Оболочка цилиндрической части состоит из нескольких барабанов (обычно три и более), соединённых телескопическим методом, то есть один вложен в другой. Впервые многотрубчатый котёл на паровозах был применён в 1829 году, а именно — на знаменитой «Ракете» Стефенсона.

Часто в цилиндрической части находится и пароперегреватель, который размещён в трубах, которые в основном аналогичны дымогарным, но больше диаметром. Такие трубы называют уже жаровыми, а сам пароперегреватель — жаротрубным.

Гарнитура котла

Гарнитура котла (иногда — Принадлежности котла) — приборы и устройства, которые обслуживают процесс горения, то есть обеспечивают тепловую работу котла. Они позволяют обеспечить сожжение нужного количества топлива с наименьшими потерями. В зависимости от расположения, различают гарнитуру топки и гарнитуру дымовой коробки. Также стоит отметить такой прибор как сажесдуватель, который может располагаться как в топке, так и в огненной коробке топки, либо вовсе быть переносным. Сажесдуватель служит для очистки внутренней поверхности дымогарных и жаровых труб от сажи и изгари, тем самым позволяя увеличить передачу тепла от горячих газов через стенки труб к воде и пару. Очистка производится направлением струи пара внутрь труб. Впоследствии на многих паровозах сажесдуватели были демонтированы.

Гарнитура топки

Колосниковая решётка со слоем горящего топлива

К гарнитуре топки прежде всего стоит отнести колосниковую решётку, расположенную в огненной коробке на уровне топочной рамы. Данная решётка служит для поддержания слоя горящего твёрдого топлива, а также, как понятно из названия, обеспечивает к нему, за счёт щелей, приток необходимого для горения воздуха. Из-за больших размеров (на паровозе серии Л её размеры — 3280×1830 мм), колосниковая решётка делается из отдельных элементов — колосников, которые расположены поперечными рядами. На ранних паровозах колосники были неподвижными, впоследствии стали строиться паровозы с подвижными (качающимися) колосниками, что позволяло упростить очистку топки от шлаков и золы. Привод качающихся колосников преимущественно пневматический. Шлаки и зола из топки ссыпаются в расположенный под топкой специальный бункер — зольник, верхняя часть которого охватывает всю колосниковую решётку, а нижняя, из-за дефицита свободного пространства, располагается преимущественно между боковинами основной рамы паровоза. Для пропуска воздуха в топку, зольник оборудуется специальными клапанами, которые используются также и для очистки бункера от шлаков. К гарнитуре топки ещё относят и топочные (шуровочные) дверцы, которые закрывают шуровочное отверстие (служит для заброса топлива в топку), тем самым разделяя пространства топки и будки машиниста. Так как и зольник, и решётка обеспечивают приток свежего воздуха в огненную коробку, засорение (шлакование) их воздухопроводов и щелей может привести к серьёзному падению мощности котла, поэтому при использовании антрацитов и низкокалорийных углей применяют шлакоувлажнитель, представляющий собой несколько трубок с отверстиями, расположенными по периметру колосниковой решётки. Периодически через них пропускают пар, который понижает температуру у самой решётки, а соприкасаясь со шлаком делает его более пористым<ref name="Паровоз-43" />.

Если паровоз отапливается нефтью или мазутом (распространено на современных паровозах), то в топке устанавливают нефтяные форсунки и нефтепроводы. Форсунки обеспечивают тонкое распыление топлива, что необходимо для его полного сгорания. При этом из топки изымают колосниковую решётку, а вместо неё в зольнике и топке устанавливают специальный кирпичный свод (также известен как обмуровка), который служит дополнительной защитой топки от пламени, имеющего более высокую температуру (свыше 1600°), нежели при угольном отоплении, а также для рационализации процесса горения — если пламя кратковременно погасить, то раскалённый свод поможет воспламенить поступающее после перерыва топливо. Однако общий вес данного свода гораздо выше, чем у колосникой решётки, поэтому перевод паровоза с угольного на нефтяное отопление повышает общий вес паровоза, особенно его задней части.

Гарнитура дымовой коробки

Для горения топлива необходим воздух, причём его надо много: на 1 кг угля или мазута требуется соответственно 10—14 кг или 16—18 кг воздуха. Очевидно, что подача такого количества воздуха в камеру сгорания (топку) естественным способом практически невозможна, что принуждает к созданию искусственной тяги газов в котле. Для этого в дымовой коробке устанавливают специальной дымовытяжное устройство, которое обеспечивает приток воздуха в топку за счёт создания разрежения в дымовой камере. Паровозные дымовытяжные устройства бывают нескольких конструкций, однако практически все они работают на уже отработанном паре, поступающем из тяговой паровой машины, что позволяет изменять подачу воздуха в зависимости от используемой мощности машины, то есть чем более напряжённо работает паровоз, тем сильнее горение и тем больше пара вырабатывается.

Двойной четырёхдырный конус постоянного сечения с раздельным выпуском. Паровоз RENFE 141 F

Наиболее простым дымовытяжным устройством является конус, который выглядит как форсунка конусовидного сечения, установленная под дымовой трубой. Принцип действия конуса заключается в том, что пропущенный через него отработанный пар приобретает высокую скорость (до 250—350 м/с), после чего направляется в дымовую трубу, где он увлекая с собой воздух, создаёт в дымовой камере разрежение. Конусы бывают различных конструкций, в том числе одно-, двух- и четырёхдырные, переменного и постоянного сечения, с общим и раздельным выпуском. Наибольшее распространение получил четырёхдырный конус переменного сечения с раздельным выпуском, то есть когда пар из правого и левого цилиндров выпускаются раздельно. Однако несмотря на простоту конструкции, конус нельзя использовать на паровозах с конденсацией отработанного пара, поэтому на последних в качестве дымовытяжного устройства используется вентилятор (газосос). Привод вентилятора осуществляется от отработанного пара, что также как и при конусе делает регулировку тяги автоматической. Хорошая работа вентиляторной тяги привела к тому, что её начали применять даже на паровозах без конденсации отработанного пара (например, советские СО и С), однако из-за ряда недостатков (более сложная конструкция, нежели у конуса, а следовательно и более высокая стоимость ремонта, высокое противодавление при выпуске пара, сложность работы на высоких отсечках) в 1950-х гг. вентиляторная тяга была заменена на конусную.

Система реверса

Система реверса представляет собой систему взаимосвязанных рычагов, позволяющих изменить на 180° фазу начала впуска пара золотником по отношению к фазе движения поршня. Долгое время это производилось вручную рычагом реверса с целью поменять направление движения вперёд или назад.

Экипаж

Ко времени, когда паровозы на железных дорогах стали заменяться другими типами локомотивов, паровозы подошли к пределу увеличения своего тягового усилия, требующего при сохранении допустимой нагрузки на ось увеличения длины экипажа, что ограничивается радиусами закругления на находящихся в эксплуатации железнодорожных линиях. Чрезмерно длинный паровоз портит путь, выворачивая рельсы и создаёт предпосылки для аварий и катастроф, особенно тяжёлых при возрастании скорости движения.

Тендер

Тендер паровоза представляет собой резервуар для запасов воды с расположенным поверх резервуаром (резервуарами) для запасов топлива. В Европе широко применялись паровозные серии, которые вообще не предусматривают прицепного тендера — у них запасы угля располагаются позади будки, а запасы воды — в специальных резервуарах впереди будки по обе стороны котла. Такой паровоз носит название танк-паровоз. В России такие паровозы получили распространение при работе на внутризаводских территориях, а также как маневровые паровозы. Так, на уральских заводах применялся паровоз серии «Ъ».

Технические преимущества и недостатки паровоза

Паровоз не боится ни быстрой езды, ни высокой форсировки котла. Паровоз боится только невнимательного обращения, плохого ремонта и ухода - автор = Машинист Франц Яблонский. Как и у всех других типов локомотивов, у паровоза есть как преимущества, так и недостатки.
Из преимуществ стоит отметить следующие:

• Относительная простота конструкции, благодаря чему их производство было довольно просто наладить на машиностроительном (например, Lima и HCP) или металлургическом (например, Коломенский и Сормовский) заводе;
• Надёжность в эксплуатации, обусловленная уже упомянутой простотой конструкции, благодаря чему паровозы могут эксплуатироваться на протяжении более 100 лет;
• Высокая сила тяги при трогании с места. Более того, из всех распространённых видов двигателей транспортных средств единственно паровая машина паровоза может неограниченно долго развивать максимальную силу тяги на его сцепном крюке даже при полной остановке локомотива.
• Многотопливность (устар. — Всеядность), то есть возможность работы практически на любом топливе, в том числе на дровах, торфе, угле, мазуте. В 1960-х годах, после снятия с поездной работы многие паровозы были переданы на подъездные пути предприятий, где их отапливали, часто, отходами производства: щепой, опилками, макулатурой, зерновой шелухой, бракованным зерном, отработавшими смазочными материалами. При этом тяговые возможности паровоза существенно снижались, но для манёвров с несколькими вагонами тяги хватало.

Недостатки паровоза:

• Крайне низкий КПД, который даже на последних паровозах составлял 5—9 %, что обусловлено низким КПД самой паровой машины, который не превышает 20 %, а также недостаточной эффективностью сгорания топлива в паровом котле и потерями тепла пара при передаче его от котла к цилиндрам;
• Необходимость в больших запасах воды, что особенно ограничивало применение паровозов в засушливой местности (например, в пустынях), либо в отдалённых регионах стран. Применение паровозов с конденсацией отработанного пара хоть и снижало актуальность этой проблемы, но не устраняло её полностью;
• Высокая пожароопасность, обусловленная наличием открытого огня сгорающего топлива. Данный недостаток отсутствует на бестопочных паровозах, однако радиус действия таких машин весьма ограничен;
• Большое количество дыма и копоти, выбрасываемых в атмосферу паровозом. Этот недостаток особенно сильно проявлялся при вождении пассажирских поездов и при работе паровоза в черте населённых пунктов.
• Невозможность работы паровозов по системе многих единиц, что для вождения тяжеловесных поездов требует применения кратной тяги, а следовательно и увеличения числа локомотивных бригад;
• Тяжёлые условия труда локомотивной бригады;
• Опасность взрыва котла.
• Высокая трудоёмкость ремонта, особенно парового котла.

Стоит отметить, что несмотря на тяжёлые условия работы, паровозы, тем не менее, весьма ценились машинистами. Прежде всего это было связано с тем, что, в отличие от тех же тепловозов с электровозами, теоретически рассчитать рациональные режимы ведения поезда для паровозов практически невозможно, так как слишком много составляющих: температура и давление пара, положения регулятора и реверсора, уровень воды в котле и т.д. и т.п. Из-за этого сильно ценился практический опыт машинистов, благодаря которому и удавалось осуществлять вождение тяжеловесных поездов и с более высокими скоростями, как это делал, например, советский машинист Пётр Кривонос. С уходом паровозов, авторитет профессии машинист локомотива значительно упал.