Котёл

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

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-

2 Б. А. Дробинский

1. Котёл

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.

1. Котёл

Фиг. 13. Огневая коробка и кожух топки в разрезениже). 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

1. Котёл

Фиг. 14. Зольник

(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 площадиколосниковых 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.

1. Котёл

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 можно полнее и быстрее и получать при этом как можно больше тепла.

Очертанию огневой коробки соответствует и форма кожуха топки (см. фиг. 12 и 13). Кожух обычно состоит из пяти листов: потолка, двух боковых стенок, лобового и ухватного листов.

Лобовой лист кожуха топки расположен против задней стенки огневой коробки — непосредственно в будке машиниста.

Топливо забрасывается на колосниковую решётку через отверстия в лобовом листе кожуха топки и в задней стенке огневойкоробки. Кромки этих отверстий листов огневой коробки и кожуха отгибаются навстречу друг другу и в месте стыка свариваются, образуя топочное (шуровочное) отверстие.

Пространство между кожухом и стенками огневой коробки заполняется водой и паром. В нижней части этого пространства расположена топочная рама, к которой прочно и плотно заклёпками и сваркой присоединены листы огневой коробки и кожуха, образуя дно для воды и как бы фундамент топки, опирающийся на раму паровоза.

Топочная рама служит также опорой для колосниковой решётки и зольника, которые прикрепляются к ней специальными кронштейнами.

1. Котёл

Фиг. 16. Жёсткая «.язь

Плоские стенки кожуха соединяются с так называемой ц и л и н-дрической частью котла ухватным листом.

Во время работы котла все его стенки испытывают усилие пара, измеряемое тысячами тонн. Только на стенки огневой коробки паровоза серии ФД, общая поверхность которой составляет примерно ЗЭО ООО см2, действует сила, превышающая 4 500 т (при давлении пара 15 кг/см2). Эта сила почти в 18 раз больше веса самого паровоза серии ФД с тендером.

Почему же громадные силы, действующие па плоские стенки топки, не разрушают её? Потому, что они воспринимаются целым лесом стальных стержней, соединяющих листы огневой коробки и кожуха топки в единую взаимосвязанную систему. Эти стержни называют топочными связями-—боковыми и потолочными. Они установлены, как это видно на фиг. 13, в простенках между огневой коробкой и кожухом топки.

Связи, расположенные горизонтальными и вертикальными рядами, удалены друг от друга в среднем на расстояние около 100 мм. Всего на укрепление топки идёт более 2 С00 боковых и потолочных связей. Например, топка паровоза серии ФД имеет 2 512 связей; их общий вес достигает 3,2 т.

На фиг. 16 показана жёсткая связь; она называется так

1. Котёл

потому, что оба конца её жёстко укреплены в стенках кожуха и огневой коробки. Укрепление связей осуществляется электросваркой.

Вследствие неравномерного режима работы котла температура стенок огневой коробки то повышается, то понижается, вызывая их деформацию (отклонение положения стенок от нормального). Деформация стенок вызывает в связях дополнительные напряжения. Чтобы уменьшить напряжения в связях, в местах наибольших деформаций стенок (особенно в углах топки) устанавливаются подвижные связи (фиг. 17).

На пассажирском паровозе типа 2-4-2 (см. фиг. 8) имеется 956 подвижных связей. Один конец такой связи наглухо приварен к стенке огневой коробки,а другой конец, которому придана форма шара, свободно опирается на особую втулку, приваренную к стенке кожуха. Втулка закрывается колпачком. Месторасположение подвижных связей видно на фиг. 25.

Связи работают на растяжение и изгиб. Излом хотя бы одной из них увеличивает нагрузку на соседние связи, что угрожает безопасной работе котла.

Если выйдет из строя несколько рядом расположенных связей, то в этом месте лист огневой коробки останется без укрепления и под действием силы пара прогнётся. В результате в листе огневой коробки м-'Жет образоваться трещина. Вот ".•чему стенки топки скрепляются •"'.•лышш количеством связей.

Наиболее часто связи надламыва-: гея у мест их жёсткого крепления \ стенкам топки. Для того чтобы ":;.-фужить надломленную жёсткую ":-ь, с обоих её концов высверлены несквозные каналы — кон льные отверстия. У сломавшейся возле стенки связи пар или , ;;а, устремляясь через канал наружу, сигнализируют о её изло-• («/.стрелку на фиг. 18). Подвижные связи имеют контрольныеотверстия только со стороны их жёсткого крепления к стенке огневой коробки (см. фиг. 17).

В отдельных местах, где постановка боковых и потолочныхсвязей невозможна (например верхняя часть лобового листа кожуха топки), стенки топки укрепляются специальными тя-ж а м и (см. фиг. 13) и связями другого вида. Тяж одним концом прикрепляется к потолку кожуха топки, а другим, имеющим форму вилки, соединяется с угольником на лобовом листе.

Мы познакомились с устройством огневой коробки наиболее простой формы.

Внешний вид огневой коробки более сложной формы показан на фиг. 19. Здесь увеличенный объём огневой коробки получен благодаря устройству специальной камеры догорай и я.

Камера догорания огневой^'коробки, имеющая форму сплющенного цилиндра, как это видно" из фиг. 19 и 22, образует дополнительное топочное пространство. Огневая коробка с камерой догора-

1. Котёл

Фиг. 13. Излом связи

1. Котёл

Фиг. 19. Огневая коробка с камерой догоранияния состоит не из пяти листов, а из семи, так как добавляется нижний лист камеры догорания и так называемый ухватный лист. Ухватный лист соединяет воедино плоские боковые стеикн огневойкоробки с камерой догорания. Общий вес топок с камерами догорания возрастает за счёт веса дополнительных листов и за счёт увеличения числа связей, необходимых для укрепления камеры догорания.

Объём огневой коробки котлов современных паровозов доходит до 13—15 м8. Чтобы наглядно представить себе внушительные размеры огневой коробки мощного паровоза, достаточно сказать, что в ней может свободно разместиться автомобиль «Победа».

Теперь познакомимся с устройством цилиндрической части котла (фиг. 20), внутри которой размещены трубы — жаровые (большого диаметра) и дымогарные (малого диаметра).

1. Котёл

Фиг. 20. Топка и цилиндрическая часть котла

У современных паровозов большой мощности ', длина цилиндрической части достигает 6—7 м. Так как на имеющихся прокатных станах нельзя прокатать такой широкий лист, то для изготовления цилиндрической части приходится применять не один, а два, три и даже четыре листа, которые свёртываются в виде барабанов и свариваются продольным швом. Между собою барабаны свариваются встык при помощи автоматических сварочных машин.

Передний барабан цилиндрической части котла соединяется с передней трубной решёткой, а задний — с кожухом топки при помощи ухватного листа.

Передняя решётка представляет собой лист, имеющий форму диска с отверстиями. Концы жаровых и дымогарных труб (см. фиг. 20), общее число которых доходит до 200, вставляются в отверстия задней решётки (у топки) и передней решётки (у дымовой коробки). Для плотности соединения концы труб развальцовывают, отбуртовывают, а со стороны топки ещё и приваривают. Передняя решётка укрепляется в барабане котла при помощи сварки, а также жаровыми и дымогарными трубами; верхняя часть, где нет труб, дополнительно укрепляется тяжами.

Когда котёл работает, вода в нём не должна опускаться ниже определённого допускаемого уровня, показанного на фиг. 12.

Паровозная бригада постоянно наблюдает за уровнем воды по водо-указательным стёклам и водопробным краникам, расположенным на лобовом листе кожуха топки.

Во время работы котла огневая коробка, жаровые и дымогарные трубы всегда погружены в воду. Проходя по жаровым и дымогарнымтрубам, горячие газы, так же, как и через стенки огневой коробки, отдают часть тепла воде. Благодаря этому парообразование усиливается.

Если мы нальём в сосуд любой формы воду и начнём его снизу подогревать (фиг. 21), то частицы воды в сосуде будут непрерывно перемещаться. Так как горячая вода легче холодной, то подогретые снизу частицы её будут подниматься, а на их место сверху поступит более холодная вода. Если нагревание продолжать, то вода непрерывно будет совершать круговорот. Такое движение воды называется циркуляцией. Полезное ли движение совершает вода? Оказывается, очень нужное и полезное. Чем интенсивнее перемещаются частицы воды, тем лучше нагретая вода перемешивается с холодной, тем быстрее происходит нагревание всей массы воды и тем быстрее выравнивается температура отдельных частей сосуда.

1. Котёл

Фиг. 22. Схема циркуляции воды в котле паровоза

В паровозном котле при нагревании огневой коробки создаётся такая же непрерывная циркуляция воды. Чтобы ускорить циркуляцию и тем самым повысить паропроизводителыюсть котла, внутри огневой коробки, т. е. в зоне наиболее высоких температур, размещают несколько продольных труб, которые сообщают нижний слой воды с верхним (фиг. 22). Такие трубы называются цирку-

1. Котёл

ляционными или к и п я т и л ьн ы м и. Нижними концами они прикрепляются к задней трубной решётке (см. фиг. 12) или, если есть камера догорания, к её ухватному листу (см. фиг. 22), а верхними — к задней стенке огневой коробки. Горячие газы, омывая стенки труб, быстро нагревают заполняющую их воду; частицы горячей воды и пара перемещаются вверх по трубе, а их место занимает более холодная вода.

- Стремление ещё более усилить циркуляцию воды в'котле, особенно между боковыми простенками топки, привело конструкторов к мысли расположить циркуляционные трубы в виде опрокинутой буквы Т, как это показано на фиг. 23. Эти трубы верхними

1. Котёл

Фиг. 23. Поперечные циркуляторы в тоннеконцами прикрепляют к потолку огневой коробки, а нижними — к её боковым стенкам. Поэтому вода циркулирует от боковых стенок к потолку. Такие трубы называются поперечными ц и р к у л я т о р а м и.

Поперечные циркуляторы получили распространение на мощных паровозах, так как они, наряду с усилением циркуляции воды в котле, непрерывно подают её на потолок огневой коробки, т. е. «покрывают» его слоем воды, что очень важно для безопасной работы котла.

Циркуляционные трубы имеют и другое назначение. Они поддерживают кирпичный свод (см. фиг. 13)— необходимую часть каждой топки современного паровоза.

Свод по всей ширине топки примерно наполовину (вдоль оси котла) перекрывает площадь колосниковой решётки. При наличии свода газы сгорания вынуждены совершать более длинный путь,.

поэтому они лучше смешиваются с воздухом, необходимым для горения. Кроме того, свод препятствует выходу несгоревших мелких частиц топлива в жаровые и дымогарные трубы, способствуя тем -самым догоранию частиц непосредственно в огневой коробке.

Но свод нужен не только для этих целей. Расположенный прямо над пламенем, он нагревается, т. е. накапливает тепловую энергию з период наибольшей температуры в топке и в случае охлаждения топки отдаёт энергию, подобно мощному аккумулятору. Благодаря

1. Котёл

Фиг. 24. Дымовая коробкаэтому значительно улучшается процесс сжигания топлива. Кроме того, свод хорошо защищает стенки топки от холодного воздуха, прорывающегося через слой топлива, особенно при чистке топки, •открытии боковых клапанов зольника и топочных дверок.

Сверху одного из барабанов котла установлен цилиндрический купол—сухопарник, из которого полученный в котле пар начинает свой путь к машине (см. фиг. 12).

На некоторых паровозах в сухопарнике размещают регулятор, т. е. устройство при помощи которого машинист может впустить пар из котла в паровую машину или прекратить его впуск. "

Спереди к цилиндрической части котла примыкает камера, называемая дымовой коробкой (фиг. 24). Это — третья составная часть котла паровоза.

В дымовой коробке, имеющей цилиндрическую форму, размещены устройства для создания тяги топочных газов, движущихся по жаровым и дымогарным трубам котла.

С помощью этих устройств в огневую коробку через клапаны, зольника и колосниковую решётку засасывается атмосферный воздух, необходимый для горения.

Для отвода продуктов сгорания в атмосферу служит дымовая труба. Чтобы крупные раскалённые угольки (изгарь) из топки не вылетели через дымовую трубу наружу, в дымовой коробке устанавливают приспособления в видеотбойных листов и сеток. Последние дробят раскалённые частицы несгоревшего твёрдого топлива,, препятствуя их уносу в атмосферу. Это имеет большое значение в противопожарном отношении, так как мелкие искры после выхода из дымовой трубы быстрее гаснут, чем крупные.

Спереди дымовая коробка закрывается фронтонным листом, который подвешен на петлях на случай ремонта котла, например, для выемки жаровых и дымогарных труб. Чтобы предупредить возможность проникновения (подсоса) наружного воздуха в дымовую коробку, фронтонный лист прижимается к ней десятками болтов, а вырезы для паровпускных труб, мусороочиститель-ной трубы и др. тщательно заделываются.

Для осмотра дымовой коробки на фронтонном листе имеется плотно закрываемая малая дверка.

Осмотр котла, а также удаление накипи и шлама при промывках производятся через имеющиеся на кожухе и цилиндрической часта люки и промывательные пробки.

Современные паровозы работают исключительно перегретым паром, принцип получения которого довольно прост.

Пар, выходящий из сухопарника (см. фиг. 12), до поступления в машину направляется по трубопроводу в мелкие трубки пароперегревателя, называемые элементами. Элементы вставляются в жаровые трубы, а их концы присоединяются к специальной коробке — коллектору, установленному в верхней части дымовой коробки. Поток газов, движущихся по жаровым трубам из топки, омывает элементы и через их стенки отдаёт своё тепло пару, проходящему в трубках элементов. В трубках' пароперегревателя отделённый от воды пар получает дополнительное количество тепла, за счёт которого температура его повышается — пар становится перегретым.

Все части котла соединены между собой плотно и прочно. Качество соединений проверяется специальными испытаниями в определённые сроки согласно правилам по котлонадзору.

Раньше котельные листы соединялись между собой заклёпочными швами, которые располагались вдоль и поперёк котла. На котёл мощного паровоза шло огромное количество заклёпок. В настоящее время трудоёмкие клепальные работы при постройке и ремонте паровозных котлов заменены сваркой.

Первый в мире цельносварной паровозный котёл промышленноготипа, не имеющий заклёпочных швов, был построен в СССР в 1932 г.

Сварные швы проверяются рентгенопросвечиванием на плёнку, по которой судят о качестве сварки.

Цельносварные котлы мощных паровозов показали хорошие качества в эксплуатации. Кроме того, они значительно легче и проще в изготовлении и ремонте, чем котлы с заклёпочными соединениями листов.

Применение сварки даёт большую экономию металла (около 2—2,5 т на котёл), при этом снижается трудоёмкость работ и повышается надёжность соединений.

1. Котёл

Фиг. 25. Общий вид котла современного паровоза

В последнее время способ сварки котлов усовершенствован. Ручная сварка уступила место автоматической по методу советского учёного Е. О. Патона. Специальные машины сами ведут скоростную сварку котельных листов. Труд сварщиков заменён высокопроизводительной работой сварочных автоматов. Общий вид котла современного паровоза показан на фиг. 25.

Чтобы уменьшить потери тепла на внешнее охлаждение, кожух топки и цилиндрическая часть котла покрываются специальным термоизоляционным материалом. Благодаря применению термоизоляции потери тепла во внешнюю среду не превышают 1—2%, а расход угля уменьшается на 8%.

На фиг. 26 показан процесс образования твёрдой теплоизоляции на поверхности котла.

Жидкий изолирующий материал (раствор асбеста, диатомита и извести) заливается в промежуток между котлом и его обшивкой. К началу заливки температура воды в котле доводится до 70—80°, что способствует быстрому затвердеванию раствора и сохранению в дальнейшем приданной ему формы.

Наряду с изоляцией котла способом заливки, применяются также и «сухие» способы; они заключаются в том, что на поверхность котла накладываются асбестоцементные или вулканитовые плиты,

1. Котёл

Фиг. 26. Процесс образования твёрдой теплоизоляции методом заливкиа там, где их поставить нельзя, производится обмазка поверхностей асбестоцементным раствором. Покрытая изоляцией поверхность котла закрывается обшивкой из мягкой листовой стали и стягивается обручами.

⇐ | Глава I. Основные части паровоза и экипировочные устройства | | Как устроен и работает паровоз | | 2. Паровая машина | ⇒