Паровоз с тендером-конденсатором и некоторые опытные локомотивы

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

Если до сих пор не удалось создать удачной конструкции воздухоподогревателя, то становится понятным, почему так трудно создать паровоз, в котором были бы воплощены и другие новейшие достижения стационарной теплотехники (высокое давление пара, вакуумная конденсация, пылеугольиое отопление и др.).

В решении проблемы повышения экономичности паровоза большое ^значение имели работы нашего соотечественника академика С. П. Сыромятникова.

Созданная С. П. Сыромяти и ковым теория теплового процесса помогла ему найти оригинальное решение вопроса о снижении веса паровозного котла, что дало возможность устанавливать различные устройства, повышающие мощность и экономичность паровоза.

«Тщательные расчёты показывают, — писал академик Сыромятников, — что передняя половина трубчатой части паровозного котла даёт не более 14—15% общего количества пара, производимого паровозным котлом. Это значит, что мы возим на паровозе громадный мёртвый вес в виде большой, громоздкой и тяжеловесной поверхности нагрева, с которой снимаем очень мало пара. Если упразднить неэффективную переднюю половину трубчатой части котла, то мы освободим место на паровозе и создадим резервы, которые позволят выиграть гораздо больше, чем потерянные при этом 14—15% пара».

Несколько лет назад по предложению акад. С. П. Сыромятникова группа научных работников и инженеров Московского электромеханического института инженеров железнодорожного транспорта им. Ф. Э. Дзержинского разработала технический проект такого паровоза типа 1-5-1 со значительно укороченной (вместо обычных 6 м) трубчатой частью, т. е. фактически с новой схемой парового котла.

Правильность технических расчётов проверялась и подтверждалась многочисленными испытаниями на разнообразных стендах и моделях.

Опыты показали, что расположенный в специальной камере (фиг. 145) так называемый выносной перекрёстноточный пароперегреватель (предложенный проф. Н. И. Белоконь в 1938 г.) способен перегревать пар до 530°, водоподогреватель обеспечивает подогрев воды до 80—90°, а температура воздуха, подводимого в топку, достигает 200—220°.

Опытный паровоз по предложению акад. Сыромятникова (фит. 145 и 146) был построен Ворошиловградским паровозостроительным заводом им. Октябрьской революции.

# * *

Подсчитано, что если кусок каменного угля весом 1 кг превратить в пыль, то общая его поверхность, соприкасающаяся с воздухом, поступающим в топку, возрастёт в 50 000 раз, и все частицы угля будут сгорать полностью в одинаковых условиях.

Поэтому обычные потери тепла от провала и уноса угля должны резко снизиться. Подсчёты показывают, что сжигание угля в виде пыли позволяет значительно увеличить к. п. д. котла

Советские инженеры провели многочисленные опыты по использованию пылевидного топлива на паровозах и добились в этой области замеТНЬГх успехов. Однако многие вопросы еще не решены.

5. Паровоз с тендером-конденсатором и некоторые опытные локомотивы

Фнг. 145. Общий вид паровоза, предложенного С. П. Сыромятниковым

Главное осложнение состоит в том, что в обычной топке паровоза сравнительно небольшого объёма задняя трубная решётка при отоплении угольной пылью очень быстро (примерно в течение часа) залепляется золой и шлаком.

Чем же это вызывается?

В обычной паровозной топке слой твёрдого топлива сжигается на колосниковой решётке. Образующиеся при этом зола и шлак периодически удаляются из зольника.

Иначе обстоит дело в паровозах с пылеугольным отоплением. Здесь никакого слоя топлива нет, так как сгорание мельчайших частиц угля происходит на лету, в пространстве топки. Сгорание происходит при очень высокой температуре. Зола, образующаяся при сжигании пыли на лету, из-за высокой температуры плавится и, оседая на менее нагретой задней решётке и па трубах, спекается (шлакуется), быстро забивая их.

Каким же образо.м использовать высокую температуру сгоранияпыли и в то же время снизить температуру перед трубнойрешёткой, не допуская её зашлаковывания?

Конструкторы увеличили объём топки за счёт использования объёма зольника, надобность в котором при пылеугольном отоплении отпала, и заставили сгорать угольную пыль не перед трубной решёткой, а в месте расположения бывшего зольника, превратив его в камеру горения (фиг. 147). Чтобы не допустить внешнего охлаждения, её стенки обмуровываются огнеупорным кирпичом. Такая

5. Паровоз с тендером-конденсатором и некоторые опытные локомотивы

Фиг. 146. Схема паровоза- предложенного С. П. Сыромятниковымкладка способствует сохранению в камере горения высокой температуры, что очень важно для быстрого воспламенения и наиболее полного сгорания угольной пыли.

Теперь нам нужно, чтобы топочные газы по выходе из камеры до вступления в жаровые и дымогарные трубы интенсивно охлаждались, что важно для предотвращения шлакования на трубной решётке.

Это достигается тем, что стенки топки не обмуровываются кирпичной кладкой, благодаря чему тепло топочных газов интенсивно поглощается стенками и передаётся омывающей их воде.

Для этой же цели в топке устанавливаются поперечные циркуля-торы и увеличивается длина свода.

Общее представление об устройстве современного паровоза с пылеугольным отоплением даёт фиг. 147. Этот паровоз работает на пыле-топливе тонкого размола, приготовленном на специальной стационарной установке. Пылетопливо загружается в бункер, размещённый на тендере. Благодаря наклонным стенкам бункера и особым плиткам с большим количеством капиллярных отверстий (аэроплиткам), к которым подводится сжатый воздух, угольная пыль встряхивается и легко ссыпается к нижней части бункера в питатель. Отсюда она захватывается воздушным эжектором и подаётся в два пылевоздухо-провода (на схеме показан один пылевоздухопровод). Здесь пыль смешивается с воздухом, необходимым для её сгорания. Пылевоз-душная смесь поступает к двум горелкам, установленным перед

13 В А. Дробинский ,

камерой горения благодаря разрежению, создаваемому дымовытяж-ным устройством паровоза. Назначение горелок — вызывать завихрение смеси и тем самым лучше перемешивать пыль с воздухом. Управление процессом горения сводится к регулированию подачи

5. Паровоз с тендером-конденсатором и некоторые опытные локомотивы

Фиг. 147. Схема пылеугольного отопления паровозавоздуха к эжектору, а также и регулированию подачи воздуха'в пы-лепроводы и вторичного воздуха в камеру горения. Паровая машина и конвейерные винты, необходимые для паровозов, отапливаемых углеподатчиком, при пылеугольном отоплении не требуются.

Оригинальным локомотивом является паровоз высокого давления, т. е. паровоз, который имеет давление пара в котле примерно в 10 раз больше, чем на обычных паровозах (до 140 ат вместо обычных 15 ат). К- п. д. таких паровозов теоретически достигает 18—20%.

Эффективность паровозов высокого давления объясняется следующим. Чем больше разница давлений пара, входящего в паровую машину и выходящего из неё, тем лучше используется тепло, заключённое в паре.

Раздвинуть эти границы можно за счёт уменьшения давления отработавшего пара и повышения давления свежего пара.

В стационарных теплосиловых установках уже практически достигнуто понижение давления отработавшего пара до 0,03—0,04 ат. Напомним, что это давление в 25—30 раз меньше, чем давление на поверхности земли. Однако получить такое понижение давления (глубокий вакуум) в условиях паровоза далеко не так просто. Для этого пришлось бы устанавливать специальные конденсаторы. Практически при ограниченных размерах и весе паровоза построить такую паровую машину невозможно.

Таким образом, увеличить разницу давлений свежего и отработавшего пара возможно только за счёт повышения давления парав котле. Однако и здесь дело осложняется конструктивными трудностями.

За время существования паровоза давление пара в котле возросло в несколько раз. Однако самое высокое давление, которое удалось получить в обычных паровозах, не превышает 20—22 ат.

Более высокое давление в котле паровоза обычного типа (т.е. имеющего топку с плоскими стенками) не удаётся применить, так как это связано с прочностью котла.

Вот почему для давлений выше 22 ат обычный паровозный котёл не годится. Он должен уступить место котлу специальной конструкции.

5. Паровоз с тендером-конденсатором и некоторые опытные локомотивы

Фиг. 148. Общий вид паротурбовоза с электрической передачей

В Советском Союзе в 1937 г. был создай опытный паровоз высокого давления с прямоточным котлом. Однако должных результатов получено не было.

Нигде в мире паровоз с высоким давлением пара не построен, что свидетельствует о серьёзных затруднениях, возникающих при решении этой проблемы. Одна из трудностей состоит опять-таки в габарите подвижного состава железных дорог.

Подсчёты показывают, что если бы наряду с высоким давлением перегретого пара удалось добиться весьма низкого давления отработавшего пара, то экономичность такого паровоза была бы не меньше экономичности тепловоза, который имеет наибольший к. п. д. (до 28—29%) из всех существующих локомотивов.

Однако создать глубокий вакуум в обычном паровозе, как уже было отмечено, пока что не удаётся.

Паровую поршневую машину можно заменить быстроходной турбиной, но и в этом случае для получения глубокого вакуума также необходим конденсатор. В таком локомотиве, называемом паротурбовозом (фиг. 148), турбина приводится во вращение паром из котла. Отработавший пар направляется в конденсаторы на тендере.

Здесь он превращается в воду, которая при помощи насоса снова подаётся в котёл. Для передачи движения от вала турбины движущим колёсам устраиваются специальные передачи. Основное преимущество паротурбовоза — возможность применения высокой температуры перегрева пара (до 570—600°) и высокого давления (порядка 40—50 от).

Имеются паротурбовозы различных конструкций. Одним из новых является паротурбовоз с электрической передачей, построенный для дороги Норфольк-Западная (США). На турбовозе применён пар давлением 42,2 ат с температурой перегрева 480°С; вместо обычной конструкции котла установлен водотрубный котёл. К. п. д. этого паротурбовоза, работающего на угольном отоплении, примерно в 1,5 раза выше к. п. д. обычного паровоза. Мощность локомотива 4500 л. с, вес с тендером —530 т.

На замечательном свойстве обратимости пара в воду, т. е. на многократном использовании одной и той же воды, построен паровоз с тендером-конденсатором (фиг. 149).

5. Паровоз с тендером-конденсатором и некоторые опытные локомотивы

Фиг. 149. Общий вид паровоза с тендером-конденсатором

Пробег паровоза без набора воды зависит от её запаса в тендере. Но запасы воды в тендере ограничены, так как значительно увеличивать ёмкость водяного бака нельзя из условий габарита подвижного состава и веса тендера.

Следовательно, достичь больших (порядка 1 000 км) безостановочных пробегов паровозов с обычными тендерами невозможно.

Вот почему конструкторы паровозов на протяжении многих десятилетий настойчиво искали пути для практического решения этой важной проблемы.

В 1891 г. русские инженеры — работники Коломенского завода — нашли решение этой задачи: они спроектировали и построили первый в мире паровоз с конденсацией пара.

К сожалению, до наших дней не сохранились сведения об устройстве этой оригинальной машины. Известно только, что такой паровоз был оборудован трубчатым конденсатором, расположенным над котлом.

Продолжая прогрессивные начинания своих соотечественников, советские инженеры в 1935 г. создали паровоз с тендером-конденсатором, открыв тем самым гораздо более широкую возможность достижения 1 000-километровых пробегов без набора воды. Паровозы с тендером-конденсатором успешно эксплуатируются на наших железных дорогах, особенно в безводных районах, или в районах, имеющих воду плохого качества.

Перед тем как разобраться в принципиальной схеме такого паровоза, вспомним, что количество уходящего из машины пара почти равно количеству свежего пара, поступающего в цилиндры машины.

Значит, если бы удалось придумать устройства, которые превращали бы без существенных потерь отработавший пар в воду,то это было бы равносильно увеличению запасов воды в тендере при сохранении прежней ёмкости баков.

Современный паровоз с] тендером-конденсатором работает по следующей схеме (фиг. 150). Также, как в обычном паровозе, свежий

5. Паровоз с тендером-конденсатором и некоторые опытные локомотивы

пар из коллектора пароперегревателя направляется в цилиндры паровой машины.

Но, совершив работу в цилиндрах, отработавший пар выбрасывается не в конус, т. е. не в атмосферу, как на обычном паровозе, а поступает в турбину дымососа, заменяющего здесь конус.

5. Паровоз с тендером-конденсатором и некоторые опытные локомотивы

Иными словами, дымосос, так же как и конус обычного паровоза, является газососным устройством у паровоза с конденсацией пара. Оно изображено отдельно на фиг. 151.

Пройдя через водоотделитель, т. е. прибор, отделяющий капельки воды, пар поступает на лопатки рабочепз колеса турбины дымососа. Вместе с колесом турбины вращается и газососное коле со, так как оба они насажены на один вал. Вал установлен на двух роликовых подшипниках.

Когда начинает вращаться газососное колесо, то газы из дымовой коробки засасываются им и затем выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. При этом в дымовой коробке создаётся разрежение, необходимое для подвода воздуха в топку. По мере увеличения числа оборотов турбины усиливается и тяга газов из огневой коробки. Число же оборотов турбины зависит от расхода пара паровой машиной. Чем больше она выбрасывает пара, тем большее число оборотов развивает турбина. Максимальное число её оборотов составляет 4 000 в мин.

Сифона при вентиляторной тяге нет. Его заменяет сам дымосос; во время остановок и при езде с закрытым регулятором турбина может быть приведена во вращение свежим паром.

Совершив работу в турбине, отработавший пар поступает в особый трубопровод. Он тянется вдоль всего паровоза к тендеру, вес его достигает 4 т. Трубопровод снабжается маслоотделителем, который очищает от масла движущийся из машины пар.

Подвижность трубопровода мятого пара между паровозом и тендером (которые во время движения перемещаются относительно друг друга) достигается при помощи шарового соединения. Пройдя это соединение, пар поступает в турбину воздушных вентиляторов, расположенную на тендере, и затем в трубки секций конденсаторов. Турбина вращает три вентилятора, всасывающих атмосферный воздух, который омывает секции конденсатора.

Каждый вентилятор обслуживает шесть секций, а каждая секция состоит из 140 трубок с насаженными на них пластинками (рёбрами).

Поток холодного воздуха конденсирует пар, проходящий внутри трубок секций сверху вниз. Капельки воды (конденсат) вытекают из секций в нижние коллекторы, а затем в сборный бак ёмкостью Около 2 700 л.

Так достигается превращение пара в воду на паровозе с тендером-конденсатором. Однако полученная вода всё ещё недостаточно чиста: она содержит некоторое количество масла. Чтобы освободиться от него, воду пропускают через маслоотстойник и специальные фильтры.

Теперь готовая для подачи в котёл горячая вода с температурой 98° водоструйными аппаратами (эжекторами) подаётся к поршневым водяным насосам, которые нагнетают её в котёл паровоза.

Таким образом в паровозе с конденсацией пара происходит непрерывное превращение воды в пар, а пара вводу. Это превращение совершается по замкнутому циклу и почти без потерь.

Выше было указано, что сконденсировавшаяся вода стекает в бак ёмкостью всего лишь 2 700 л\ такая небольшая ёмкость бака обусловливается тем, что он должен быть расположен под секциями конденсатора.

Для возмещения воды, уходящей в атмосферу в виде пара при его утечках и расходе на служебные нужды (например свисток),

на тендере размещаются ещё три сообщающихся между собой бака общей ёмкостью около 10 ООО л.

Общий запас воды на паровозе с тендером-конденсатором не превышает 12 700 л. Это в четыре раза меньше запаса воды в баках обычного тендера мощного паровоза серии ИС.

Наряду с большими пробегами без набора воды паровозы с конденсацией пара дают большую экономию в топливе, равноценную экономии топлива, получаемой при водоподогревателях. По сравнению с обычными паровозами они позволяют экономить до 15% угля.

Итак, в паровозе и паротурбовозе в качестве рабочего тела используется пар, поступающий в паровую машину или турбину. Сложная паросиловая установка, наличие тяжёлого котла создают ряд трудностей как при конструировании мощного и экономичного парового локомотива, так и при его эксплуатации, и поскольку последний должен возить с собой запас воды определённого качества, а сам котёл требует периодической промывки и очистки. Кроме того, для превращения воды в пар нужно затрачивать большое количество тепла. Этих недостатков не имеют локомотивы, у которых в качестве рабочего тела используется не пар, а воздух.

Локомотив, первичным двигателем которого является газовая турбина, а в качестве рабочего тела используются воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива, называется газотурбовозом.

Первый в мире газотурбовоз мощностью на валу турбины 2 200 л.с. был построен в 1941 г. в Швейцарии фирмой Броун Бовери. Этот локомотив и в настоящее время эксплуатируется на швейцарских железных дорогах. В дальнейшем газотурбовозы были построены в Англии, Франции, Швейцарии и США.

Сейчас в США работают 25 газотурбовозов, построенных в 1953—1954 гг.

На фиг. 152 показан общий вид современного газотурбовоза, построенного фирмой Дженерал Электрик Алко (США). Вес его равен 249,5 т.

Основное достоинство газотурбинного локомотива — компактность и простота устройства при высоком коэффициенте полезного действия, равном 15—19% (на низкосортном жидком топливе), и большой мощности в одной секции (4 500 — 5 000 л. с. при длине секции 25 — 27 м), что позволяет снизить расход металла на единицу мощности.

Таким образом, существующие газотурбовозы при температуре газов 700° по своему к. п. д. приближаются к тепловозу, хотя и работают на более дешёвом и менее дефицитном жидком топливе. А если удастся поднять температуру газов перед турбиной до ЮОО— 1100°, то к. п. д газотурбовоза будет равен к. п. д. тепловоза (28—29%).

Газотурбинная установка состоит из трёх главных частей (фиг. 153): газовой турбины, камеры сжигания и компрессора. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре до давления 5—6 от, поступает в камеру сжигания, в которую впрыскивается жидкое топливо (или газ). В камере сжигания происходит процесс сгорания топлива. Горячие газы направляются на лопатки газовой турбины, где, расширяясь, приводят во вращение турбинное колесо.

5. Паровоз с тендером-конденсатором и некоторые опытные локомотивы

Фиг. 152. Общий вид современного газотурбовоза

Чтобы компрессор засасывал и сжимал атмосферный воздух до давления 5—6 ат, его нужно вращать. Для этого вал компрессора соединяется муфтой с валом турбины. Таким образом, турбина вращает не только генератор электрического тока, питающий тяговые двигатели движущих осей локомотива, но и компрессор, насаженный на тот же вал.

Компрессору газовая турбина отдаёт весьма значительную часть своей мощности (около 70%) и только остальную часть мощности (около 30%)— тяговым двигателям.

Отработавшие в лопатках турбинного колеса газы выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Имеются газотурбовозы, у которых тепло отработавших в турбине газов используется в так называемых регенераторах, в которых происходит подогрев сжатого воздуха, поступающего из компрессора в камеру сжигания.

Учитывая преимущества газотурбовозов, июльский (1955 г.) Пленум ЦК КПСС признал необходимым развернуть в широких масштабах работы по созданию газотурбинных локомотивов, электровозов и тепловозов для дальнейшего технического оснащения железных дорог.

В нашей стране сейчас ведётся проектирование ряда газотурбо-возов, в том числе газотурбовоза мощностью в двух секцияхв 6 800 л. с. В ближайшие годы отечественные газотурбовозы будут эксплуатироваться на наших железных дорогах наряду с тепловозами и электровозами.

Газотурбовоз может работать и на твёрдом топливе по трем основным схемам: 1) сжигание угольной пыли, 2) применение транспортных газогенераторов (газификация угля под давлением), 3) сжигание любых сортов топлива в схемах с воздушным котлом. Однако газотурбовозы, работающие на твёрдом топливе, пока не созданы, хотя исследования в этой области ведутся в ряде

5. Паровоз с тендером-конденсатором и некоторые опытные локомотивы

Фиг. 153. Схема газотурбинной установкистран. Реальное решение этой многообещающей проблемы связано с преодолением серьёзных трудностей (быстрый износ лопаток турбинного колеса под действием горячих газов, содержащих твёрдые частицы, создание жаропрочных сплавов, выдерживающих высокие температуры).

Высокую экономичность имеют газотурбовозы с так называемым безвэльным поршневым генератором газа. В этой схеме роль компрессора выполняет дизель со свсбоднодвижущимися поршнями. Однако безвальные генераторы, так лее как и дизели на тепловозах, потребляют высококачественное дизельное топливо. Первый в мире опытный локомотив с турбиной, в которой рабочим телом является газ от генератора газа со свободно движущимися поршнями, построен фирмой Рено (Франция) в 1952 г.

27 июня 1954 г. в нашей стране была пущена в эксплуатацию и дала электрический ток для промышленности и сельского хозяйства прилежащих районов первая в мире атомная электростанция полезной мощностью 5 ООО тт. В настоящее время ведутся работы по созданию промышленных электростанций на атомной энергии мощностью 50 ООО — 100 000 кет.

Открытие и применение атомной энергии в мирных целях знаменует собой новую эру в развитии энергетики.

Неограниченные перспективы в использовании этого величайшего достижения науки открываются для транспорта, в том числе железнодорожного, являющегося, как известно, крупнейшим потребителем топлива.

Атомные энергетические установки расходуют незначительное количество топлива. Достаточно сказать, что атомный локомотив сможет совершать пробеги между заправками топливом в течение 1—2 лет. Это позволит ограничиться всего лишь одним пунктом экипировки, стоимость которого будет, конечно, несравненно меньше стоимости мощных и часто расположенных экипировочных пунктов, необходимых при паровой и даже тепловозной тяге. Отпадёт также надобность в подвижном составе для перевозки угля и нефти, на которых работают обычные локомотивы.

Наряду с ничтожным расходом топлива важным достоинством атомного локомотива является возможность сосредоточения весьма большой мощности в одной секции (до 7 000— 10 000 л. с).

Такие локомотивы пока не построены, но проекты их уже созданы. В этих локомотивах атомная энергия преобразовывается в тепловую энергию, которая затем превращается в энергию движения по обычной схеме с помощью различных передач.

Рассмотрим вкратце принцип и особенности устройства атомного локомотива мощностью 7 000 л. с, проект которого разработан в США.

Генератором атомной энергии у локомотива является атомный реактор — резервуар, изготовленный из специальной стали. В реакторе, имеющем «ядерное горючее» (уран 235), запас которого не превышает 10 кг, протекает деление ядра урана, сопровождаемое образованием большого количества тепла.

Тепло передаётся воде, благодаря чему получается пар (давлением около 18 ат). Таким образом, реактор выполняет функции паровозного котла.

Пар по специальному паропроводу приводит в действие турбину, делающую 6 000 об/мин. Турбина вращает электрогенераторы. Ток, вырабатываемый генераторами, направляется в тяговые электродвигатели, установленные на 12 движущих осях локомотива.

Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор: образовавшаяся здесь вода накачивается обратно в реактор (замкнутый цикл).

В этом локомотиве общий вес реактора достигает 180 т, т. е. равен почти половине всего веса локомотива. Стенки реактора имеют очень большую толщину (порядка 300мм), которая необходима для того, чтобы защитить локомотивную бригаду от вредных излучений. Размещение громоздкого и тяжёлого реактора на локомотиве при его ограниченных размерах и весе—задача весьма трудная.

• Общий вес двенадцатиосного атомного локомотива с установленными на нём реактором и вспомогательным оборудованием составляет 327 т.

⇐ | 4. Трудности повышения к.п.д. паровоза | | Как устроен и работает паровоз | | 6. Модернизация паровозов | ⇒