Вприхлопку: Как устроен паровоз

Машинисты паровозов всегда отличались богатырским здоровьем и хорошей зарплатой

Алексей Вульфов

Item 1 of 8

1 / 8

Буквально какие-то 20 лет назад увидеть паровоз можно было запросто. Они стояли, заколоченные, на станциях. И вся инфраструктура тоже сохранялась на случай войны. Теперь все не так: нет ни паровозов (осталось, дай бог, штук триста на всю страну), ни машинистов — навыки уходят вместе с ветеранами. Как же функционирует стальная машина?

Растопка

Холодный паровоз доставляют в депо и ставят в стойло (термин, доставшейся чугунке в наследство от времен почтовых лошадей). Из котла вынимают мешочки с силикагелем — веществом, впитывающим влагу (его кладут в котел на время консервации паровоза). Отмывают соляркой детали от консервационной смазки. Доверху наполняют водой котел и тендер. Развешивают на колесах ведущие дышла и кулисные тяги. В топку сначала забрасывают негодные шпалы, дрова и доски, которые поджигают. Когда растопка запылает, осторожно бросают первые лопаты угля и ждут, когда он займется. Постепенно добрасывают еще и еще, пока вся колосниковая решетка не окажется охваченной ровным горящим слоем. Вода в котле закипит часа через три-четыре. Как только в котле создастся давление 34 атмосферы, паровоз делается вполне автономным: оживает сифон — устройство, создающее искусственную тягу в топке.

Начинается подготовка к рейсу. В тендер паровоза выливают порцию антинакипина. Один миллиметр толщины слоя накипи на трубах — это 600 кг (!) лишнего веса в котле. Раньше пробу воды снимали после каждого рейса: набирали воду в особый чайник из краника на котле, который так и называется — «водопробный», и сдавали в лабораторию. В лаборатории устанавливали необходимую дозу антинакипина, которая зависела от жесткости грунтовых вод на участке работы паровоза. До сих пор на тендерах паровозов можно встретить надпись: «Вода отравлена. Для питья непригодна». Впрочем, старики утверждают: «Сколько раз пили — и ничего».

Из масленок с длинными носами заливают масло в смазочные пресс-аппараты, турбинку и воздушный насос. На паровозе масло применяется разных сортов, важно его не перепутать и не залить, скажем, в паровой цилиндр масло, предназначенное для смазки букс. Сегодня настоящие паровозные масла — «вапор», «цилиндровое», «вискозин» — также стали музейными экспонатами, и все заменяются обычным дизельным маслом. А на самых первых паровозах для смазки использовали говяжье сало, олеонафт и растительное масло.

Помощник машиниста ручным винтовым прессом вгоняет смазку в подшипники машины. Машинист тем временем обстукивает молоточком гайки на дышлах, тягах и крейцкопфах. Проверяет, надежно ли они затянуты, готов ли к пути механизм. На паровозе, как в оркестре, все на слух.

Стрелка парового манометра приближается к красной черте предельного давления. Можно ехать. Машинист спускает реверс на передний ход на полную отсечку, дает полнозвучный свисток и плавно открывает регулятор, вслушиваясь в дыхание машины. Плавно, потому что при резком открытии регулятора воду может подхватить и бросить из котла в цилиндры. Последствия бросания бывали таковы, что 300килограммовое дышло, вращающее ведущие колеса, сгибало в дугу, как пластилиновое, а с цилиндров сшибало чугунную крышку, привинченную 20 болтами.

Искусство кидания

Управляет паровозом машинист, а вот топит не кочегар, как думает большинство непосвященных, а помощник машиниста. Отопление требует большого опыта, сообразительности, и слова «Бери больше — кидай дальше!» тут совершенно неприменимы.

Уголь забрасывают в топку вручную особой лопатой, сугубо паровозной, с длинным ковшом и коротким черенком. Угли бывают самые разные и сильно различаются как по размерам кусков, так и по свойствам: например, бурый подмосковный уголь паровозники звали «землей» — он почти не горел, приходилось заваливать им топку чуть не до потолка. А вот, скажем, донецкие антрациты горели очень жарко, но, если помощник упускал момент, плавились и заливали колосники, из-за чего прекращался доступ в топку воздуха — после этого паровоз оставалось лишь тушить и образовавшийся монолит разбивать отбойным молотком. Самые лучшие — так называемые газовые, длиннопламенные и паровично-жирные угли, сами названия которых, кажется, горят.

От того, насколько искусен помощник, зависит жизненно важный вопрос — хватит ли в пути пару? А кочегар на паровозе обычно выполняет лишь вспомогательные работы — смазывает буксы тендера, подгребает уголь в лоток, набирает воду из колонки и т. п. В старину кочегарами обычно были практиканты или пенсионеры.

Когда паровоз движется с работающей машиной, а не по инерции, топят «вприхлопку» — то есть помощник бросает уголь, а кочегар открывает дверцы топки только в момент броска лопаты и сразу же их закрывает, чтобы в топку не шел холодный воздух. Очень важно не переохлаждать котел: паровоз простужается как человек, но, увы, с куда более серьезными последствиями, вплоть до взрыва котла (мощностью с приличную фугасную бомбу), а иногда и улетания оного в небо, как ракеты, что в свое время случалось не так уж редко.

Работа на паровозе — нелегкий физический труд. Однако он всегда был высокооплачиваемым и очень престижным, овеян огромным уважением и почетом. Кроме того, по статистике паровозники были физически здоровее, чем их коллеги, работающие на тепловозах и электровозах. Когда машинист шел по улице в фуражке с особым белым кантом и поездочным «сундучком-шарманкой», встречные приветствовали его, снимая шапку.

Как устроен и работает паровоз. Часть 1

Коснемся прародителя всей славной семьи локомотивов – Паровоза. Итак, если вы думаете, что этот экземпляр уже далеко в прошлом, то вы ошибаетесь.

В настоящее время паровозы еще активно работают на многих железных дорогах мира, даже в таких передовых странах, как США, Китай, Канада. Встречаются они и у нас во главе ретро-поездов. Много паровозов стоит и на базах запаса в законсервированном состоянии на случай непредвиденных обстоятельств.  

паровоз

Устройство паровоза

Паровоз – это мобильный локомотив, приводимый в движение силой пара. А где же его берут? Пар образуется в паровом котле, а для этого в котел подается вода, разогреваемая огнем, горящим внизу в топке. Это основа паровоза. Котел имеет в своем составе топку, в верхней части которой греется вода, дымогарные трубы, жаровые трубы, сухопарники, дымовую коробку. 

Котел опирается на экипажную часть. Пар, получаемый в котле направляется по паропроводам в паровую машину. Паровая машина через кривошипно-шатунный механизм соединена с ведущими колесами, закрепленными на оси. Ведущие колеса, через кривошип, соединены с паровой машиной главным дышлом, а остальные колеса соединяются с ведущими колесами системой прицепных дышел, чтобы также участвовать в тяге.

Управление паровозом осуществляется из будки машиниста. Для хранения запасов угля и воды к паровозу прицеплен тендер.

Итак, уголь поступил в топку из тендера (на ранних моделях уголь закидывался в топку вручную, помощником машиниста, кочегар отвечал за тендер и подачу угля к лотку, откуда помощник брал его лопатой). На более поздних конструкциях устанавливались автоматические углеподатчики (стокеры), вал которых приводился в движение силой пара. Уголь хорошо горит, вода, поступившая из тендера, путем перекачки инжекторами, закипела, что дальше?

Чтобы пар с полной силой двигал поршни паровой машины он должен быть перегретым, т.е., вода должна закипеть не при 100 градусах Цельсия, как обычно, а при 200 и даже более. Это достигается путем создания в котле избыточного давления. Топка обмуровывается огнестойким кирпичом, уголь подается на колосниковую решетку, на которой и происходит горение. 

Непосредственно топка (огневая коробка) имеет стальной кожух, тем самым между топкой и кожухом есть пространство, заполненное водой, где она и греется. Топка с кожухом соединены посредством стальных стержней – топочных связей по всему своему периметру. Конструкция топки опирается на раму паровоза.  Все продукты сгорания уходят через дымогарные трубы в дымовую коробку, а оттуда через трубу в атмосферу. 

Для перегревания пара существуют трубы жаровые, они также находятся в котле, но дополнительно подогревают пар, эти устройства называются пароперегревателями. Топка работает в очень тяжелом режиме: температура сгорания топлива может составлять до 1600 градусов, вода закипает при температуре 200 и более градусов, давление пара достигает десятков атмосфер.

Топка паровоза — ШУРОВОЧНОЕ отверстие

В топке имеется шуровочное отверстие, через которое происходит загрузка угля и контроль за состоянием горения топлива и внутренних узлов топки. Данное отверстие закрыто створками, которые открываются вручную посредством рычага и автоматически (силой пара или воздуха).  Пар из котла поступает в сухопарники (эти устройства можно видеть на крыше котла, в виде таких больших, как бы сказать, кастрюль). В сухопарниках пар оставляет излишнюю влагу, а оттуда по паропроводам поступает в цилиндры паровой машины, к ее поршням, через цилиндр золотников. 

Паровая машина

Паровая машина имеет цилиндры силовых поршней и над ними расположены цилиндры поменьше – для золотников. Из цилиндров золотниковых, пар, через два канала, поступает в цилиндр главного поршня, с одного или другого торца, двигая тем самым поршень, в ту или другую стороны.

Паровая машина

А как это достигается?

Конечно, посредством расположенных в верхнем цилиндре золотников. Золотник представляет из себя два небольших поршня, расположенных на одном штоке, с обоих его сторон, скажем так, в виде гантели. Золотники передвигаются взад и вперед, перекрывая своим поршнем один канал для подачи пара и открывая другой, обеспечивая тем самым, возвратно-поступательные движения главного поршня. Как это происходит мы рассмотрим далее.

Поршень также располагается на штоке, один конец которого входит в зацепление с ведущим дышлом. Цилиндры паровой машины расположены с обоих сторон паровоза. Отработанный в цилиндрах пар выпускается через специальные клапаны, расположенные снизу с обоих концов цилиндра в атмосферу. 

Движение паровоза

Теперь нам остается подать пар в цилиндры и ехать. Но ехать еще рано. Необходимо выбрать направление движения нашего паровоза, так сказать, отреверсировать. Как это достигается?

Мы уже коснулись такого понятия, как, кривошипно-шатунный механизм, так вот, все это его работа. Для изменения направления движения паровоза включается в работу кулисный механизм с сервомотором. Сервомотор представляет из себя обычный цилиндр, в нем находится поршень со штоком. Сервомотор переводится силой сжатого воздуха или силой пара, располагается, как правило, с правой стороны над экипажной частью. Управляет им машинист, посредством рычага реверса. Шток сервомотора соединен с верхней частью кулисы, согнутой в виде полумесяца деталью, с прорезью.

Сама кулиса закрепляется посредине к раме паровоза. В этой прорези находится устройство, называемое, кулисный камень. Кулисный камень передвигается в пазах кулисы, он соединен тягой со штоком золотников. Нижняя часть кулисы тягой соединяется с кривошипом главного ведущего колеса, на котором расположен эксцентрик. Таким образом шток сервомотора разворачивает кулису, в ней, вверх или вниз, перемещается кулисный камень, который своей тягой переводит золотники в одно из положений, необходимое для движения в ту или другую сторону, открывая тем самым нужный паропроводный канал над одной из сторон главного поршня. Другой тягой, расположенной в нижней части кулисы, переводится кривошип с эксцентриком, в сторону нужного направления движения. 

Но это еще не все функции кулисного механизма, он очень важен, далее мы рассмотрим еще одну главную его функцию. 

Ну теперь-то можно ехать? Попробуем. На торце котла, со стороны машиниста расположен регулятор, именно им регулируется подача пара в цилиндры. Это рычаг с рукояткой, имеющей фиксатор, расположенный на зубчатом секторе. Верхняя его часть тягой соединена со специальной заслонкой, расположенной в сухопарнике, которая регулирует величину подачи пара. Итак, паровоз отреверсирован, пар у нас есть, все, можно ехать.

Машинист переводит регулятор в первое положение, заслонка в сухопарнике открывается и пар пошел в цилиндры, через золотники, к главным поршням. Паровоз двинулся в нужную нам сторону.  

Так вот, теперь уже кривошип главного колеса, вращаясь передвигает нижнюю часть кулисы, а эта нижняя часть, как нам уже известно, соединена со штоком золотников, посредством кулисного камня с тягой. Система парораспределения работает, золотники, соединенные тягой с кривошипом, двигаются взад и вперед, подавая пар то в один, то в другой канал цилиндра главного поршня, он перемещается и посредством штока перемещает главное (ведущее) дышло.

Так паровоз и движется. Главные колеса соединены с другими прицепными дышлами, таким образом работают на движение все колеса паровоза. Необходимо отметить, что шток поршня соединяется с ведущим дышлом посредством специального механизма – крейцкопфа.

Крейцкопф

Крейцкопф (ползун) – это деталь вышеописанного кривошипно-шатунного механизма, который совершает по неподвижным направляющим возвратно-поступательное движение. Применение крейцкопфа позволяет разгрузить поршень со штоком от действия силы нагрузки, в этом случае ее действие переносится на крейцкопф. Дополнительно создается вторая рабочая полость в цилиндре под поршнем. Таким образом один конец ведущего дышла закреплен в крейцкопфе, а второй посажен на кривошип. 

Все ведущие колеса паровоза исполняются для облегчения веса с вырезами в виде спиц или отверстий. Обязательно эти колеса имеют противовесы.

Как правило бандажи главных колес не имеют гребней (безгребневые), это сделано для улучшения прохождения (вписывания) паровозом кривых.

На верхней части цилиндров паровой машины установлены пресс-масленки, для смазывания трущихся частей кривошипно-шатунного механизма. Сжатый воздух, необходимый для работы автотормозов состава и нужд самого паровоза получается в паровоздушном насосе, типа тандем компаунд. Расположен данный насос, как правило, в передней части паровоза, в зависимости от конструкции паровоза. Из насоса сжатый воздух поступает в главные резервуары, расположенные под котлом паровоза. Перед троганием с места цилиндры паровоза продуваются паром, для удаления влаги, во избежание гидравлического удара.  

Далее часть 2

Паровой автомобильный транспорт сегодня

Ренессанс парового грузовика

Иван Трохин, инженер

Фото НАМИ, cyclonepower.com, busmanjohn.files.wordpress.com, steamautomobile.com, stanleysteamcarparts.co.uk, beamishtransportonline.co.uk

Паровой транспорт, как сегодня считается, давно остался в прошлом. Однако возрождение, в частности, паровых грузовиков и автобусов (паробусов) представляется реальностью на современном уровне развития техники и технологии машиностроения. Это подтверждают зарубежные специалисты.

Наши пар и дрова

Идея создания современного, неприхотливого в эксплуатации, надёжного и работающего на дешёвом топливе парового грузовика занимала умы изобретателей и конструкторов после Великой Отечественной войны, когда эпоха пара в технике всё более уверенно вытеснялась дизельной. Историкам автомобильной техники хорошо известен отечественный паровой грузовик НАМИ-012, разработанный в начале 1950-х гг. специалистами столичного Научного автомоторного института «НАМИ» и работавший на дровах. (см. «Затея с паромобилями» и «Паровой автомобиль НАМИ-012»)

Паросиловая установка грузовика НАМИ-012 оказалась сложнее автомобильных силовых установок с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Правда, справедливости ради, необходимо отметить малоизвестный факт. На паровой машине НАМИ-012 были проведены экспериментальные исследования в широком диапазоне изменения частоты вращения выходного вала. Удалось установить, что для паровых моторов (высокооборотных паровых машин) с ростом частоты вращения механический КПД монотонно снижается из-за роста механических потерь, но относительный индикаторный КПД увеличивается в большей степени, что объясняется значительным снижением потерь от утечек пара и теплообмена между паром и стенками цилиндров.

А вот гидравлические потери при впуске пара в цилиндр увеличиваются незначительно. После достижения некоторой критической частоты вращения вала наблюдается обратный эффект, когда с ростом частоты вращения гидравлические потери увеличиваются значительнее, чем снижаются потери от утечек пара и теплообмена, что приводит к снижению относительного индикаторного КПД.

Таким образом, при изменении частоты вращения вала у парового мотора его эффективный, относительные индикаторный и эффективный КПД увеличиваются только при условии, что частота вращения не превышает критического значения. Максимальные значения этих КПД достигаются при критической частоте вращения.

Выгодный пар

Паровой автомобильный транспорт, в том числе грузовики и автобусы, сегодня вполне реально рассматривать как один из возможных путей решения проблемы очищения воздуха в городах. Загрязнение атмосферы городов выхлопными газами уже достигло пределов, угрожающих здоровью людей. А что может предложить паровая техника?

Во-первых, выхлоп самой паровой машины экологически чистый – это водяной пар. Под паровым котлом можно сжигать фактически любое углеводородное топливо. А выхлоп от котла будет гораздо чище, чем от ДВС, поскольку топливо сгорает в топке или горелке при значительно более низких давлениях, чем в цилиндрах ДВС. Ещё возможно добавить к горелке некий аналог каталитического нейтрализатора выхлопных газов, как у ДВС.

Во-вторых, котлостроение за 60 с лишним лет, после создания паросиловой установки грузовика НАМИ-012, ушло далеко вперёд. Создание в XXI столетии малогабаритного транспортного парового котла прямоточной конструкции, экономичного и с высокой степенью автоматизации работы – это объективная реальность. Кстати, такая задача была под силу ещё в докомпьютерную эпоху 1930-х гг. известным братьям Добл. Особенно, если разработку сегодня вести с использованием компьютерных систем автоматизированного проектирования (САПР) для трёхмерного моделирования, расчётов и оптимизации.

В-третьих, ДВС нашего времени более компактны, чем ряд автомобильных паровых моторов прошлого, и вполне возможна конверсия их в современные паровые моторы. У них будут все достоинства паровых поршневых машин: плавность хода, практическая бесшумность при работе, большой крутящий момент на валу, отсутствие коробки передач, сложной трансмиссии, стартера, глушителя. Отпадает потребность и в смазочном масле: вполне сгодится вода!

В-четвёртых, опасность размораживания паросиловой установки в зимний период возможно свести на нет за счёт герметичной системы парообразования и применения незамерзающих жидкостей, способных эксплуатироваться длительное время без утечек.

В-пятых, многим специалистам может показаться, что запуск парового грузовика или автобуса будет более продолжительным, чем у обычного транспорта с ДВС. Однако уже к началу 1970-х были отработаны конструкции паровых моторов, способных переходить от холодного состояния до момента трогания с места транспортного средства всего за 30–35 с.

Паровой «Циклон»

Знания из истории паротехники (о неэффективной прямоточной машине Штумпфа), теории термодинамики и теплотехники (к примеру, как снизить потери в паровой машине), проектирование с использованием САПР, современные конструкционные материалы и отмеченные достоинства парового мотора – всё это воплощают в железе зарубежные изобретатели высокотехнологичного паросилового агрегата «Циклон». Мощностной ряд этих силовых агрегатов, в частности, для грузового автомобильного транспорта и автобусов успешно разрабатывается командой специалистов из США.

Автором изобретения «Двигатель с регенерацией тепла» (патент США US 7,080,512) является Гарри Шоэлл (Harry Schoell – англ.). Характерные особенности такого парового мотора из состава силового агрегата «Циклон» состоят в звездообразном расположении цилиндров и работе со смазкой деионизированной водой без смазочного масла.

Тепловой регенеративный поршневой двигатель внешнего сгорания «Циклон» может потреблять фактически любое жидкое или газообразное топливо. Испытывали даже на апельсиновой кожуре! Имея уже необходимую патентную защиту (патент РФ RU 2357091) своего двигателя, как отмечают разработчики, они могут продавать лицензии на «Циклон» и инвестировать партнёров в России. К слову, получено несколько десятков патентов по всему миру, как на агрегат в целом, так и на составляющие его элементы (например, на камеру сгорания парогенератора, компактный конденсатор отработавшего пара).

Силовой агрегат «Циклон» работает при давлении водяного пара на уровне 20 МПа и его температуре порядка 650 ºС. Он устроен и функционирует следующим образом. Вода из бака (условно не показан) подаётся в парогенератор 1, который вырабатывает свежий пар 2А, 2В. В камеру сгорания парогенератора 1 подаётся топливо и воздух 7В. Свежий пар 2А, 2В поступает в клапанный паровой мотор 3 и срабатывает в нём. Отработавший пар 5А, 5В направляется в конденсатор 4. Для лучшей конденсации пара в конструкции конденсатора 4 предусмотрен охлаждающий вентилятор 6, создающий воздушный поток 7А. Конденсат 8А, 8В водяного пара подается обратно в парогенератор 1.

Несколько примеров по части материалов, из которых изготовлен силовой агрегат «Циклон». Так, корпус и основные детали парового мотора сделаны из лёгких сплавов и композиционных материалов: поршни – из алюминия, а недающие им соприкасаться со стенками цилиндров головки и уплотнения – из жаростойкого углеродного волокна.

Подведём итоги

Интерес к паровым грузовикам и автобусам, как и к другому паровому наземному транспорту, сегодня вновь возрождается. Причём если обратиться к истории, то такое происходит уже не в первый раз. Насколько окажется результативным очередной паровой ренессанс на транспорте? Это покажет время.

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

Как работает паровоз? – Блог Steam Dreams Rail Co

Паровозы с любовью вспоминают за их важную роль в промышленной революции и считают одним из величайших изобретений всех времен. Мы, конечно, так думаем! Как часто говорит наш основатель Маркус Робертсон, паровая машина — это самое близкое из того, что создал человек, живой и дышащий объект.

Но как они работают? 🤔

Вам понадобятся три основных элемента: топливо (обычно уголь), вода и подножная бригада, состоящая из водителя и кочегара.

Паровоз по сути представляет собой большую машину для преобразования энергии. Он получает тепловую энергию от сжигания топлива и использует ее для кипячения воды для создания пара исключительно высокого давления. Эта энергия давления в паре затем снова преобразуется в цилиндрах локомотивов из давления в кинетическую энергию в форме движения, которая является энергией, которая тянет за собой наши поезда.

Это было научно, но как это происходит на самом деле? Безусловно, самой большой и важной частью паровоза является его котел. Здесь сжигается уголь, чтобы высвободить огромное количество тепла для кипячения воды и получения пара. Большинство паровых локомотивных котлов в Великобритании работают под давлением от 220 до 250 фунтов на квадратный дюйм (psi), что примерно в 8 раз превышает давление в средней автомобильной шине! Котел оснащен как минимум двумя предохранительными клапанами, которые настроены на «подъем» и позволяют сбросить давление пара, что предотвращает создание котлом избыточного давления. Они устанавливаются на верхней части котлов локомотивов и часто внезапно поднимаются с выходом больших облаков пара и шума. Это совершенно нормально, и они автоматические.

• Как работает котел – рисунок с Петровской железной дороги
• Один из наших сотрудников, Каллум, в топке
• Кабина Торнадо с кочегаром, питающим топку поездки могут кипятить до 2000 галлонов воды в час — это эквивалентно более чем 6000 полным чайникам! — с огнем, который горит добела. Уголь сжигается внутри котла в печи, называемой топкой, при этом огонь горит на решетке с воздушными промежутками, которые пропускают кислород через горящий уголь, что помогает ему достичь необходимых высоких температур. Во время одной из наших однодневных поездок паровоз обычно может сжечь 12 тонн угля, а пополнение происходит в промежуточном пункте назначения.

  Уголь и вода для большинства наших паровозов хранятся в тендере, который является грузовиком, позади которого бригада приводит двигатель. Здесь полно воды и угля. Например, наш флагманский локомотив «Мейфлауэр» перевозит почти 8 тонн угля и 4200 галлонов воды — это почти 20 тонн воды, перевозимых одним только заполненным тендером!

  Необычный вид паровоза сверху, показывающий тендер, полный угля, и горячую топку.

  Вода подается в котел локомотива под высоким давлением с помощью парового устройства, называемого «инжектор». Это устройство использует пар из котла для забора воды из резервуара тендера и подачи ее в котел под еще большим давлением, чем то, при котором работает котел. Наука об этом довольно сбивает с толку и может быть опубликована в отдельной статье в блоге! Чрезвычайно важно, чтобы уровень воды в котле поддерживался на высоком уровне не только для продолжения производства пара, но и потому, что раскаленный добела огонь способен быстро расплавить медную топку, в которой он содержится. Уровень воды можно проверить по «мерному стеклу», которое показывает уровень воды в бойлере. На картинке ниже вы можете видеть их (их две, так как это жизненно важное оборудование) и они видны вверху посередине картинки с черными и белыми полосами. Вода хорошо видна там, где вода преломляет черные диагональные полосы, чтобы идти в другую сторону.

  Огонь окружен «водяной рубашкой» со всех сторон и над ним для отвода тепловой энергии, если эта водяная рубашка не будет «охлаждать» топку, она быстро расплавится. По этой причине член бригады отвечает за работу котла локомотива, «кочегар», и в их обязанности входит поддержание давления в котле, уровня воды и температуры огня. Это изнурительная работа, особенно забрасывать нежную партию угля в такой жаркий огонь. По этой причине мы обычно меняем нашу команду в середине наших поездок.

  Подножка Торнадо. Можете ли вы найти манометрические стекла и регуляторы?

  Машинист отвечает за следующую часть локомотива; его цилиндры. Основным органом управления машиниста является «регулятор», который позволяет пару высокого давления выходить из котла локомотива и поступать в цилиндры. Это большие красные рычаги, показанные на картинке выше, по одному с каждой стороны двигателя. Цилиндры представляют собой большие металлические блоки на уровне платформы в передней части нашего двигателя, по одному с каждой стороны. Некоторые более мощные локомотивы имеют еще 1 или 2 цилиндра внутри двигателя в дополнение к тем, что снаружи. Цилиндры работают как автомобильный двигатель: высокое давление воздействует на поршень, создавая большие толкающие и тянущие силы на штоке поршня, которые, как видно, выходят из задней части цилиндров, которые соединяются с «ведущими колесами» двигателя. Цилиндры Mayflower большие, диаметром 20 дюймов (508 мм), и они перемещаются вперед и назад на 26 дюймов (660 мм). В отличие от автомобильного двигателя, цилиндры паровых локомотивов имеют давление, поступающее к обеим сторонам поршня, при этом пар толкает поршень в одном направлении, а затем более свежий пар поступает с другой стороны, чтобы снова оттолкнуть его. Именно эта постоянная цикличность отработанного пара, выталкиваемого из цилиндров паровозов, и дает характерный «пыхтящий» шум! Как ноги на педали велосипеда, поршень паровоза толкает кривошип на 180 градусов, вызывая вращательное движение, прежде чем возврат поршня в цилиндр «тянет» кривошип назад. За каждый полный цикл поршня большие ведущие колеса паровоза совершали один полный оборот.

  Цилиндры настроены на работу в разных точках поворота колеса в противофазе, чтобы избежать «застревания» локомотива, когда кривошип находится на каждом конце; представьте себе большое ведущее колесо в виде циферблата с первым цилиндром, нажимающим на 12 часов, вторым на 3 часа, первым цилиндром, который сейчас возвращается в положение 6 часов, и, наконец, вторым цилиндром, возвращающимся назад. в 9 часов, прежде чем цикл продолжится снова. Это также обеспечивает более равномерное распределение мощности при повороте колес и дает 4 «пыхтения» при каждом повороте колеса.

  В отличие от автомобиля, у паровоза нет шестерен — он едет прямо на колесо. Вот почему паровозам требуется много времени, чтобы набрать скорость — представьте, что вы крутите педали велосипеда с места на высокой передаче! Это означает, что они могут хорошо подходить для быстрого бега, если у них большие колеса. Однако это не всегда полезно, так как это может привести к большому пробуксовыванию колес при попытке пустить длинный поезд — вот почему паровозы, предназначенные для грузовых перевозок, имеют много колес меньшего размера для дополнительного сцепления и запуска более тяжелых поездов. Большинство паровозов в Великобритании имеют колеса диаметром около 6 футов (1,82 м) в качестве компромисса между скоростью и тяговым усилием, ведущие колеса Mayflowers имеют диаметр 6 футов 2 дюйма (1,88 м). У быстрых экспрессов, таких как «Летучий шотландец», колеса больше — 6 футов 8 дюймов или (2,03 м).

  …так работает паровая машина! 🚂

  Нажмите здесь, чтобы узнать о локомотивах, которые мы используем для наших поездок по магистралям Великобритании.

  Нравится:

  Нравится Загрузка…

  Как работает паровоз

  Пар — это струйка, которая выходит из вашего утреннего кофе. Это вещество, которое вспенивает ваш капучино. Это то, что заставляет свистеть чайник. И он может двигать 100-тонную машину со скоростью более 120 миль в час.

  Как это происходит? Как струйка пара от вашего кофе превращается во что-то достаточно мощное, чтобы сделать возможной индустриальную эпоху?

  До того, как у нас появились паровозы, у нас была паровая машина. Какая разница? Паровой двигатель может быть стационарным и питать все виды машин. Паровоз использует паровой двигатель на колесах, чтобы привести себя в движение.

  Паровые двигатели умножили работу, которую мог выполнить один человек за день. Или сделал возможным ранее невозможное. Паровой двигатель сделал водяное колесо устаревшим и позволил перемалывать больше зерна. Одной из первых целей, для которой использовались паровые двигатели, было перекачивать воду, доставлять воду в выжженные водой населенные пункты или поддерживать сухими глубокие шахты.

  Стационарные паровые машины становились все больше и больше, как и паровозы. Здесь, на SteamGiants.com, мы видим локомотивы как эти паровые гиганты, однако в Музее паровых гигантов Бреде в Сассексе, Англия, Великобритания, гиганты представляют собой стационарные паровые насосы. О сохранившихся в музее трехэтажных паровых машинах можно прочитать здесь.

  Как работают паровые двигатели и локомотивы?

  Как наш большой чайник превращает пар в энергию, движение и силу. Эта анимация объясняет основную концепцию парового двигателя.

  Анимация парового двигателя

  Как показано в нашей анимации, паровые двигатели работают путем преобразования потенциальной энергии, хранящейся в топливе, в нашем примере в угле, в кинетическую энергию. Думайте об этом как о сложном чайнике, состоящем из четырех частей:

  • Топка, полная топлива, температура которого достигает 1000 градусов по Фаренгейту.
  • Бойлер, наполненный водой, которую тепло нашей топки превращает в пар.
  • Система труб, клапанов и регуляторов, которая создает пар под давлением и подает его к поршню.
  • Цилиндры и поршни, на которые давит наш пар под давлением, создавая физическое движение – кинетическую энергию. Это возвратно-поступательное движение создает силу, необходимую для привода любого оборудования.

  Теперь представьте, что паровой двигатель в нашей анимации перевернулся, чтобы стать горизонтальным, и добавьте колеса. Мы идем к паровозу! Поток пара под давлением заставляет внутреннюю механику локомотива вращаться. Непрерывное преобразование энергии движет поезд вперед. Однако потребовалось некоторое время, чтобы перейти от простого парового двигателя к первому успешному паровозу.

  Общеизвестно, что первая известная паровая машина была построена в первом веке в Александрии, Египет. В начале 16 века итальянский инженер Джованни Бранка использовал пар для вращения лопастей колеса, предвещая изобретение паровой турбины.

  Слева: Спасательный двигатель. Справа двигатель Ньюкомена.

  В 1698 году Томас Савери изобрел «друга шахтера» — водяной насос, приводимый в действие поршневой паровой машиной. Четырнадцать лет спустя Томас Ньюкомен создал более совершенную конструкцию, которая привела к созданию более мощного водяного насоса с паровым приводом. За свое изобретение Ньюкомена часто называют отцом парового двигателя, однако его первоначальная конструкция позже будет улучшена. Шотландский инженер Джеймс Уатт, в частности, внес важные инновации, такие как отдельные камеры для нагретого и охлаждающего пара, что привело к повышению эффективности двигателя.

  Усовершенствования следующего века позволили паровому двигателю приводить в движение лодки, корабли и тракторы, но локомотиву, который мог бы тянуть грузы, придется подождать. Многие изобретатели работали над этой проблемой, но Джорджу Стефенсону приписывают первый успешный паровоз. В 1825 году Стоктон-энд-Дарлингтонская железная дорога использовала локомотив Стефенсона, чтобы доставлять уголь из внутренних шахт на побережье для отправки.

  Когда промышленники поняли, как быстро паровозы могут перевозить товары по английской сельской местности, они приступили к усовершенствованию и усилению паровоза. Всего за несколько десятилетий железные дороги покрыли всю Англию, а паровозы становились все больше и быстрее.

  Но мы забегаем вперед. Как Джорджу Стефенсону и более поздним инженерам удалось опрокинуть этот паровой двигатель и дать ему достаточно энергии, чтобы двигаться и тянуть поезд из автомобилей? Пар может показаться не таким уж большим, но если на него надавить, он может сделать многое — даже сдвинуть с места массивный поезд. В этой анимации обратите внимание, насколько технология похожа на стационарный паровой двигатель выше. Разница заключается в улучшении того, как мы используем это давление пара. Давайте посмотрим, как работает паровоз.

  Анимация паровоза

  Все работает вместе для создания движения

  Все движущиеся части паровоза отвечают за преобразование потенциальной энергии, хранящейся в топливе (в нашем примере это уголь), в кинетическую энергию вращения – вращение колеса. Чтобы привести пар в движение, требуется много частей, но мы сделаем все возможное, чтобы разобрать каждую из движущихся частей и объяснить их роль в работе паровоза.

  • Топка. Топка представляет собой ящик из тяжелого металла, предназначенный для хранения углей, горящих при температуре до 1000 градусов по Фаренгейту. Топка находится под котлом и высвобождает потенциальную энергию, хранящуюся в углях, в виде тепла.
  • Бойлер. Бойлер, по сути, представляет собой просто гигантский водяной чайник. Хотя он намного больше, он хранит воду и нагревается, когда под ним горит топка. Котлы разделены небольшими трубками, по которым тепло и дым поднимаются к дымоходу, и по мере того, как тепло поднимается вверх, оно быстро кипятит хранящуюся внутри воду. Котел, в свою очередь, питается от баков с водой, установленных сбоку от поезда или от отдельного тендера.
  • Цилиндры. Когда вода в котле превращается в пар, давление в здании направляет пар в ряд цилиндров перед колесами и давит на ряд поршней.
  • Поршни. Поршни представляют собой совершающие возвратно-поступательное движение куски металла, которые перемещаются вперед и назад внутри цилиндра. Поскольку небольшой впускной клапан пропускает пар в цилиндр, он перемещает поршень вверх и вниз, создавая кинетическую энергию.
  • Коленчатый вал и шатун – Когда поршни начинают двигаться, они толкают коленчатый вал, который преобразует их возвратно-поступательное движение в кинетическую энергию вращения. Коленчатый вал соединяется с соединительной дорогой, которая затем передает энергию вращения на колеса. Смотри ниже.

  Поршень, шатуны, рычаги Анимация

  Клапанный механизм Walschaerts. См. КЛЮЧ ниже. (Анимация Panther. CC BY-SA 3.0)

  На приведенной выше анимации элемент 2  представляет собой кривошип за пределами основного шатуна. Это обеспечивает основное усилие для перемещения клапана. поз. 1  соединяется с толкателем, поз. 8 , управляемым инженером. При нажатии на тягу управления рычажный механизм 3 перемещается вверх и вниз. Если звено ниже центра, двигатель движется назад. Если звено близко к центру, пар сохраняется для обычной работы. Поз. 4 направляет шток поршня. Поз. 5  это шарнир, в котором основной шатун соединяется с крейцкопфом и принимает движение, передаваемое от поршня. Позиции 6 и 7 это цилиндр (7) и блок клапанов (6) . Розовый – это пар из котла. Выхлоп белый.

  Сборка всех деталей

  Когда вы впервые посмотрите на паровоз, вы сразу же заметите стержни, прикрепленные к колесам. Когда поезд движется вперед, стержни вращаются вместе с колесами. Дети даже имитируют это движение, сгибая руки и вращая ими по кругу. Именно эти стержни приводят в движение локомотив.

  Соединительные стержни соединяют ведущее колесо со всеми остальными колесами поезда. Стандартные паровозы имеют только два цилиндра — по одному с каждой стороны двигателя. Это означает, что только одно колесо получает энергию непосредственно от коленчатого вала. Соединительные стержни должны передавать энергию от ведущего колеса через другие колеса с каждой стороны поезда.

  Массивная муфта или боковые стержни паровоза Union Pacific Big Boy.

  Соединительные стержни помогают сделать паровые двигатели более эффективными, поэтому двигателю не требуется несколько поршней. Машинисту паровоза поручено эффективно управлять двигателем. Эффективная эксплуатация паровоза не только экономически эффективна, поскольку при этом используется меньше топлива, но и гарантирует, что у локомотива не закончится вода или топливо до того, как он достигнет следующей заправки водой и топливом.

  В то время как первые паровозы были неэффективны и требовали огромного количества угля и воды для перемещения чего-либо, более поздние конструкции могли выдерживать более высокое давление пара и перемещать большие грузы, не сжигая столько угля. Это позволило локомотивам стать больше и мощнее.

  В основном все паровозы работают по одному принципу – топливо нагревает воду, вода становится паром, пар приводит в движение поршень, который вращает коленчатый вал. Однако в более эффективном локомотиве поршень не возвращается на место коленчатым валом. Вместо этого пар возвращает поршень на место благодаря серии скользящих рычагов и клапанному механизму, который регулирует открытие и закрытие цилиндра.

  Используя пар, чтобы вернуть поршень на место, паровозные двигатели могут работать намного эффективнее и с большей мощностью. Кроме того, поезда могут двигаться задним ходом. Но это была не последняя итерация паровой машины. Клапанный механизм претерпел ряд дальнейших усовершенствований, прежде чем многие железные дороги и производители остановились на одной из наиболее распространенных конструкций, Walschaerts (см. Анимацию выше), названной в честь ее изобретателя Эгиде Вальшертс.

  Куда делись все наши паровозы?

  Первые паровозы использовали в качестве топлива древесину. Это быстро перешло на уголь, который был и дешев, и в изобилии. Уголь, а иногда и мазут, сжигаемый в топке, оставался лучшим способом получения пара на протяжении века. В середине этого века изобретатели начали работать с нефтью и перерабатывать ее в дизельное топливо, а затем в бензин.

  Чикаго и Северо-Западная развязка. К этому времени, 1942 году, дизели только начали преобладать. Фото: Джек Делано

  Так же, как паровой двигатель нужно было улучшать в течение многих лет, чтобы сделать его коммерчески жизнеспособным, так и новый двигатель внутреннего сгорания. двигатели внутреннего сгорания не теряют тепло так, как топка (внешнее сгорание). Большая часть энергии, выделяемой при сжигании дизельного топлива или бензина, может быть направлена ​​непосредственно на питание двигателя, в то время как большая часть тепла, выделяемого при сжигании угля, теряется в окружающей среде.

  К 1950-м почти каждый мог слышать звон колокола паровоза. В двигателе внутреннего сгорания меньше движущихся частей, он более эффективен и им легче управлять. Все это означает гораздо меньше обслуживания и более длительный срок службы. Это то, что нужно железнодорожным компаниям, чтобы оставаться конкурентоспособными.

  Достаточно быстро тепловоз заменил на железных дорогах паровоз. В Соединенных Штатах этот процесс был более или менее завершен к 1965 г. Большинство остальных стран дизелизировали или электрифицировали свои железные дороги к 1965 г.80. Несколько небольших операций в более бедных странах продолжались пару десятилетий. Есть только одно место в мире, где до сих пор ежедневно используются большие паровозы для грузовых перевозок, это Босния и Герцеговина. Об этой истории читайте в нашей статье «Удивительно! Пар в грузовых перевозках в 2022 году».

  Санта-Фе 3751 покоряет Петлю Техачапи. (Из шоу Pentrex, «3751 Return to Steam».

  Поклонники Steam, однако, могут поблагодарить армию добровольцев за спасение сотен паровозов от факела утилизации, некоторые из которых продолжают работать сегодня на музейных и туристических маршрутах по всему миру.

  Итак, паровых двигателей больше нет?

  Хотя паровозы больше не используются в повседневной эксплуатации железными дорогами мира, это не означает, что паровые двигатели не используются. Большинство атомных электростанций используют паровые двигатели для выработки электроэнергии. Топливо не уголь, конечно, а ядерные стержни.

  Большая часть электричества, которое питает наши дома, вырабатывается паровыми двигателями. Однако вместо поршней и цилиндров силовые установки используют пар для вращения массивного электромагнита. Когда магнит вращается, он создает электричество.

  Существуют солнечные тепловые электростанции, которые используют солнце для нагрева воды и используют пар для выработки электроэнергии с помощью турбины. Паровые двигатели, сжигающие топливо для нагрева воды в пар, который преобразует энергию топлива в кинетическую энергию, до сих пор используются во многих приложениях.

  Тим Уолтер

  Железнодорожник и модель железнодорожника. Автор и потребитель железнодорожных новостей и информации.

  Просмотры сообщений:
  1669

  Что такое паровой двигатель? — Обзор, детали и работа

  13 августа 2022 г. 24 сентября 2021 г. by Jignesh Sabhadiya

  Что такое паровой двигатель?

  Паровой двигатель — это тепловой двигатель, который выполняет механическую работу, используя пар в качестве рабочего тела. Паровой двигатель использует силу, создаваемую давлением пара, чтобы толкать поршень вперед и назад внутри цилиндра.

  Это толкающее усилие может быть преобразовано с помощью шатуна и маховика во вращательное усилие для работы. Термин «паровой двигатель» обычно применяется только к только что описанным поршневым двигателям, а не к паровой турбине.

  Паровые двигатели представляют собой двигатели внешнего сгорания, в которых рабочее тело отделено от продуктов сгорания. Идеальный термодинамический цикл, используемый для анализа этого процесса, называется циклом Ренкина.

  В общем случае термин «паровой двигатель» может относиться либо к полностью укомплектованным паровым установкам (включая котлы и т. д.), таким как железнодорожные паровозы и переносные двигатели, либо может относиться только к поршневым или турбинным машинам, как в случае балочного двигателя. и стационарная паровая машина.

  Хотя устройства с паровым приводом были известны еще в эолипиле в первом веке нашей эры, а несколько других применений были зарегистрированы в 16 и 17 веках, Томас Савери считается изобретателем первого коммерчески используемого устройства с паровым приводом, паровой машины. насос, использующий давление пара, воздействующий непосредственно на воду.

  Кто изобрел паровой двигатель?

  Первый коммерчески успешный двигатель, который мог непрерывно передавать мощность машине, был разработан в 1712 году Томасом Ньюкоменом. Джеймс Уатт сделал критическое улучшение, переместив отработанный пар в отдельный сосуд для конденсации, что значительно увеличило количество работы, получаемой на единицу потребляемого топлива.

  К 19 веку стационарные паровые двигатели приводили в движение заводы промышленной революции. Паровые машины заменили паруса для кораблей на колесных пароходах, а на железных дорогах работали паровозы.

  Поршневые паровые двигатели поршневого типа были доминирующим источником энергии до начала 20-го века, когда достижения в конструкции электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания привели к постепенной замене паровых двигателей в коммерческом использовании. Паровые турбины заменили поршневые двигатели в производстве электроэнергии из-за более низкой стоимости, более высокой рабочей скорости и более высокой эффективности.

  Как работает паровая машина?

  В паровой машине горячий пар, обычно подаваемый котлом, расширяется под давлением, и часть тепловой энергии преобразуется в работу. Остальному теплу можно позволить уйти, или, для максимальной эффективности двигателя, пар можно сконденсировать в отдельном аппарате, конденсаторе, при сравнительно низких температуре и давлении.

  Для обеспечения высокой эффективности пар должен проходить через широкий диапазон температур в результате его расширения в двигателе. Наиболее эффективная работа, то есть наибольшая производительность по отношению к подведенному теплу, обеспечивается при использовании низкой температуры конденсатора и высокого давления в котле.

  Пар можно дополнительно нагреть, пропустив его через пароперегреватель на пути от котла к двигателю. Обычный пароперегреватель представляет собой группу параллельных труб, поверхность которых подвергается воздействию горячих газов топки котла.

  С помощью пароперегревателей пар может нагреваться выше температуры, при которой он получается при кипении воды.

  В поршневых двигателях паровых двигателей поршневого и цилиндрового типа пар под давлением подается в цилиндр с помощью клапанного механизма. Когда пар расширяется, он толкает поршень, который обычно соединен с кривошипом на маховике для создания вращательного движения. В двигателе двойного действия пар из котла поступает попеременно к каждой стороне поршня.

  В простой паровой машине расширение пара происходит только в одном цилиндре, тогда как в составной машине имеется два или более цилиндров увеличивающегося размера для большего расширения пара и повышения эффективности; первый и самый маленький поршень приводится в действие начальным паром высокого давления, а второй — паром более низкого давления, выходящим из первого.

  В паровой турбине пар выбрасывается с высокой скоростью через сопла, а затем проходит через ряд неподвижных и движущихся лопастей, заставляя ротор двигаться с высокой скоростью. Паровые турбины более компактны и обычно допускают более высокие температуры и большую степень расширения, чем поршневые паровые двигатели. Турбина является универсальным средством, используемым для выработки большого количества электроэнергии с помощью пара.

  Детали паровой машины

  • Топка: Здесь топливо сжигается для получения тепла.
  • Котел: Линди использует жаротрубный котел. Горячие газы, образующиеся в топке, протягиваются через трубную решетку в котле. Трубки нагревают воду, которая их окружает, для производства пара. Пар собирается в паровом куполе в верхней части котла.
  • Паровой купол: Внутри парового купола находятся регулирующий клапан, предохранительный клапан и свисток. Клапан регулятора прикреплен к дроссельной заслонке в кабине. Инженер использует дроссельную заслонку, чтобы контролировать количество пара, подаваемого в цилиндры. Свисток четырехзвонковый, 1925 Свисток Болдуина, дующий под давлением пара. Предохранительный клапан открывается, чтобы выпустить пар, когда давление становится слишком высоким.
  • Клапаны, цилиндры и поршни: Пар преобразуется в механическую энергию в цилиндрах. Пар под давлением проходит через клапаны цилиндра в камеру и приводит в движение поршень. Линди, как и большинство локомотивов, использует цилиндры двойного действия. Это обеспечивает удвоение мощности за счет поочередного введения пара с обеих сторон поршня, так что шток поршня одновременно толкается и вытягивается, создавая мощность на обоих ходах.
  • Шатуны: Поршень выравнивается в цилиндре с помощью крейцкопфа, перемещающегося по направляющей. Крейцкопф несет меньший конец шатуна. Другой конец, большой конец, передает мощность на колеса с помощью шатунной шейки. Линди, как и большинство локомотивов, имеет более одного комплекта ведущих колес, которые распределяют мощность, генерируемую цилиндрами двойного действия. Шатуны с обеих сторон локомотива смещены на 90°, чтобы распределять мощность на полный оборот колес.
  • Дымовая камера: Отработанный пар выпускается из цилиндров через дутьевую трубу под дымовой трубой. Такое расположение обеспечивает снижение давления в дымовой камере, которая втягивает топочные газы через трубы котла.