Аппарат тяги газов сгорания

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

Обш/^е сведения о тяге газов конусом и вентилятором

Крайне напряженная работа паровозного котла возможна только при наличии энергичной искусстве н н о й тяги газов сгорания. Коническое суже ние отверстия выхлопной трубы, увеличивая скорость выходящего пара, дает значительное разрежение в дымовой коробке-до 200 мм водяного столба и больше. Конус получил применение еще на первых паровозах и твердо удерживается и в современном паровозостроении, хотя за последнее время появились вентиляторные дымососы, осуществляемые, например, в связи с введением конденсации отработавшего пара. Рассмотрим преимущества искусственной тяги газов сгорания (конусом) перед естественной, распространенной в стационарных котельных установках.

Первое основное достоинство конусной установки-возможность относительно большого паросъема котла и получения, таким образом, большой работы от компактного (по размерам поверхности нагрева) котла. Другим основным достоинством конуса является почти полная автоматичность его работы, чрезвычайно ценная при переменном режиме работы паровоза. При увеличении расхода пара увеличивается и количество выбрасываемого конусом пара. Скорость выхода последнего из конуса увеличивается, увеличивается и трение между частицами струи пара и окружающими газами сгорания. Последние более энергично засасываются в дымовую трубу, разрежение в дымовой коробке увеличивается, горение в топке из-за большой тяги воздуха оживляется, и котел, получая большое количество тепла, готовит и большее количество пара. Наоборот, при уменьшении расхода пара, а также и при закрытии регулятора парообразование котла также соответственно уменьшается. Правда, точной зависимости здесь нет, но все же в эксплуатации паровоза это саморегулирование работы котла является чрезвычайно ценным качеством работы конуса. Наконец, достоинством конуса является крайне простое и компактное оформление всех его деталей и большая надежность работы.

Зависимость величины разрежения от количества выхлопного пара, вообще говоря, ценная при нормальной работе паровоза, иногда является и отрицательным моментом, когда, например, нужно усилить горение в топке при небольшом расходе пара. Здесь приходится пользоваться сифоном, лишь частично достигающим своей цели, или ставить на паровоз конус с переменным сечением выхлопного отверстия,-«переменный» конус. С другой стороны, для работы конуса нужно подводить к нему, т. е. выбрасывать в атмосферу, большие массы отработанного пара и терять, таким образом, содержащееся в них огромное количество тепла. Эти соображения побудили изыскивать способы вообще отказаться от применения конуса, заменив его другими, более совершенными способами тяги. Если вдувание особыми форсунками воздуха в топку не получает распространения, а в том виде, как предложены такие приборы, и не может получить его (большой расход пара на форсунки, необходимость останавливать дутье для каждой подброски топлива), то «механическая» тяга газов сгорания дымососами заслуживает серьезного внимания.

В стационарной котельной практике тяга дымососами, установленными у основания дымовых труб, себя вполне зарекомендовала. Учитывая это, завод Геншель построил ряд опытных паровозов, у которых разрежение в дымовой коробке достигается работой вентилятора, установленного в дымовой коробке. Одним из существенных преимуществ вентиляторного дымососа перед конусом является вполне равномерное разрежение в дымовой коробке и, следовательно, в топке. Пульсации разрежения, неизбежные при работе конуса с его отдельными резкими выхлопами, здесь отсутствуют вовсе. Сгорание топлива на решетке даже при больших форсировках происходит в достаточно спокойных условиях, унос топлива, а также и провал резко уменьшаются, кпд котла возрастает, мощность его увеличивается.

На фиг. 165 показан разрез передней части дымовой коробки паровоза, построенного для германских железных дорог. Вентилятор (сист. Бетца) приводится в движение паровой турбинкой свежего пара, укрепленной вместе с направляющими лопатками вентилятора на дверке дымовой коробки. Испытания показали хорошую работу устройства, возможность быстрого увеличения парообразования вне зависимости от работы паровых цилиндров. Вентилятор работает в очень тяжелых условиях (износ горячими угольками); для изготовления лопаток применена легированная сталь. Турбина самапо себе-прибор неприхотливый, требующий только очень точного изготовления и тщательного ремонта основных частей.

Во всяком случае, независимо от выбора способа использования мятого пара и типа самого конденсатора (вакуумная или атмосферная конденсация), применение механической тяги безусловно получит широкое распространение на паровозах самого недалекого будущего. В СССР имеется опытный паровоз сер. «Э», переоборудованный заводом Геншеля на механическую тягу и конденсацию отработавшего пара. Схема устройства паровоза нам уже знакома (см. фиг. 24); работа вентилятора и всего паровоза вполне удовлетворительна. Строящиесяв 1936 г. паровозы с конденсацией отработавшего пара также снабжаются дымососами. На фиг. 165а показана дымовая коробка паровоза сер. «СО» с конденсацией пара. Дымосос состоит из паровой турбины мятого пара (могущей работать и свежим паром)и вентилятора, колесо которого посажено на вал турбины, проходящий через дымовую коробку. Корпус турбины виден справа на левой проекции.

На фиг. 165а показано и общее расположение турбины и вентилятора. Наибольшая мощность турбины 60 л. с, число оборотов в минуту- 3500; диаметр делительной окружности рабочего колеса 500 мм, наибольший диаметр рабочего колеса 574 мм г. Под рукой у машиниста имеется маховичок вентиля, посредством которого машинист перепускает большую или меньшую часть выхлопного пара из машины паровоза, минуя турбину дымосос а-непосредственно в трубу мятого пара, идущую к тендеру. Такое устройство дает машинисту возможность в самых широких пределах регулировать работу дымососа, т. е. и работу топки.

В США также делаются отдельные испытания приборов механической тяги на паровозах, но там конусное устройство пока имеет почти исключительное распространение. Рассмотрим конусную установку, пользующуюся исключительным распространением на всех паровозах, не снабженных конденсаторами.

Тяга газов сгорания посредством конуса осуществляется постановкой в дымовой коробке: 1) насадка («форсового конуса»), сужающего выхлопное отверстие пароотводных труб, 2) петикота или иного устройства, облегчающего нужное заполнение дымовой трубы газами сгорания без подсоса воздуха через трубу в дымовую коробку, и без удара струи отработавшего пара о кромки нижнего отверстия трубы и тем более о барабан дымовой коробки, и 3) дымовой трубы. Эти три основных элемента, вместе взятые, и составляют один органически цельный аппарат искусственной тяги газов сгорания.

Расположение конуса и дымовой трубы

Как указано выше, все части вытяжного устройства должны быть размещены так, чтобы была обеспечена нужная тяга газов в трубу при минимальном давлении пара, подводимого к конусу.

8. Аппарат тяги газов сгорания
Фиг. 165.

1 Более подробные сведения об устройстве турбо-вентилятора см. ч. V, гл. IV «Тендер-конденсатор».

8. Аппарат тяги газов сгорания

На фиг. 4 показано общее расположение всех частей вытяжного устройства паровоза сер. «Эм». Непосредственно над конусом расположен цилиндрический патрубок с раструбом внизу, петикот. Между конусом, петикотом и дымовой трубой размещены уже известные нам искроудержательные сетки. Заметим, что петикот частично выравнивает тягу во всех жаровых и дымогарных трубах, так как газы сгорания засасываются в дымовую трубу как из верхней части дымовой коробки (сетка между петикотом и дымовой трубой), так и из нижней (сетка между петикотом и конусом). В старину, не исследовав работы петикота ни практически, ни теоретически, увлекались многоярусными петикотами, размещая их один над другим. Петикот сам по себе является элементом, задерживающим, как бы тормозящим вылет смеси газов сгорания и пара, и кроме того петикот, охватывая на некоторой высоте струю пара, уменьшает поверхность соприкосновения ее с газами и тем самым частично ухудшает тягу. Стремление освободиться от петикота вполне обосновано.

Петикоты большой пользы не приносят и при соответствующем подборе диаметров конуса и трубы и при выборе рациональной конфигурации нижней части дымовой трубы могут отсутствовать. Если петикот является необходимой принадлежностью вытяжного устройства почти всех наших старых паровозов (отсутствуют на паровозах сер. «Су», «Е»), то на новых мощных паровозах они не ставятся вовсе. Фиг. 162-163, показывающие дымовую коробку котла паровозов сер. «ФД» и «ИС», иллюстрируют это: петикота здесь нет, зато дымовая труба снабжена большим раструбом в своей нижней части, с успехом заменяющим петикот. Газы сгорания постепенно по траектории, изображающей пологую кривую, без острых перегибов направления, заходят в трубу и выбрасываются в атмосферу.

Размеры конуса и дымовой трубы выбираются на основании расчетов, приведенных в дальнейшем. Взаимное расположение конуса, петикота и трубы устанавливается главным образом на основании законов истечения струи, отчасти на основании опытных данных. Вообще говоря, размеры конуса и дымовой трубы находятся в теснейшей связи один с другим.

Сравнивая расположение дымовой трубы и самого конусного насадка по фиг. 4 и 162-163, мы видим, что у первого паровоза труба расположена целиком над дымовой коробкой, у второго на половину утоплена в дымовую коробку, но отношение длины трубы к ее диаметру остается, примерно, одно, и то же. Понижение трубы относительно верхней образующей дымовой коробки у мощных паровозов вызывается габаритными соображениями. Крупнейшие американские паровозы, по тем же соображениям, имеют дымовые трубы, возвышающиеся над дымовой коробкой на 250-280 мм. Подчеркнем, что общая высота трубы при этом отнюдь не должна быть меньше установленных минимальных величин.

Что касается конуса, то его выхлопное отверстие у старинных паровозов располагалось часто очень высоко,-непосредственно под дымовой трубой; конус может быть расположен также и на середине высоты дымовой коробки, как это практиковалось при постройке очень многих паровозов сравнительно современных типов (паровозы сер. «Э», «Эу», «Б», «Уу» «Ыч», «0Ч» и целый ряд других) или наконец в нижней части дымовой коробки. Именно последнее расположение конуса имеют все современные мощные типы паровозов (см., например, фиг. 162- 163). Низкое расположение конуса объясняется не столько понижением дымовой трубы, все более и более углубленной в дымовую коробку, сколько стремлением отдалить насадок конуса от нижнего отверстия дымовой трубы и таким образом получить наибольшую поверхность соприкосновения газов сгорания, заполняющих дымовую коробку, с отработавшим паром.

Типы и конструкции конусоз

Почти полная автоматичность работы конуса постоянного сечения и невозможность изменять ее, приноравливаясь к виду и сорту топлива, профилю пути и другим факторам, обусловливающим необходимость этого изменения, привели к внедрению в наше старое паровозостроение переменныхконусов, с переменной величиной сужения выхлопного отверстия. Сужая отверстие или, как говорят, затягивая конус, машинист увеличивает скорость вылетающего через это отверстие пара. При этом увеличивается и разрежение в дымовой коробке, т. е. оживляется горение. Переменный конус паровоза (сер. «Эу») показан на фиг. 166. Сужение достигается перемещением (привод из будки) конической пустотелой груши вверх (конус показан отпущенным).

8. Аппарат тяги газов сгорания

Конструкции [переменных конусов вообще и показанного на фиг. 166 в частности-сложны, громоздки. Механизмы переменных конусов обычно работают неудовлетворительно, так как части механизма (груша) находятся под ударами выхлопного пара. Отсюда-случаи заедания в шарнирах, срывы груши и т. п.

Затянутый конус, давая более оживленное горение топлива, одновременно значительно ухудшает условия работы машины: при затянутом конусе увеличивается противодавление в цилиндрах, и на преодоление противодавления (до 2-3 атм) тратится соответствующая доля работы пара в рабочей полости цилиндра. Полезная мощность машины, таким образом, уменьшается-при том же расходе пара. Поэтому по миновании надобности конус непременно надо отпустить. Учитывая, что сечение постоянного конуса может быть подобрано так, что парообразование будет удовлетворительным для преимущественного режима паровоза и для сжигаемых на ж.-д. транспорте углей, НКПС еще ряд лет назад предложил выпускать все вновь строящиеся паровозы с постоянными конусами. Так, например, паровозы сер. «Су» еще с 1925 г. (год выпуска первых паровозов сер. «Су») выпускаются с постоянными конусами, и жалоб дорог на плохое парообразование у этих паровозов нет.

За последние годы получают распространение новые фасонные насадки конусов, резко улучшающие работу паровоза и дающие значительное понижение противодавления в цилиндрах. Это показывает, что до самого последнего времени конусная установка еще не исследована до конца.

Фасонные насадки конусов обеспечивают значительно большее разрежение в дымовой коробке при одновременном понижении противодавления в цилиндрах. Выгода налицо. Проблема применения переменного конуса в связи с этим пока еще не разрешена; конструкция переменного конуса с фасонным насадком несколько сложнее.

В простейшем виде фасонный насадок конуса можно получить, поставив в выхлопное отверстие круглого конуса небольшое ребро,-р ассекатель;

струя вылетающего пара разделяется на две струи полукруглого сечения. Поверхность соприкосновения газов и пара значительно увеличивается, увеличивается и тяга в трубу. Конечно площадь прохода пара должна быть сохранена прежней, т. е. конус надо соответственно расточить.

Более рациональными фасонными насадками являются прямоугольные, крестообразные, звездчатые. Действительно, струя отработавшего пара, имеющая круглое сечение (обычный «конус»), имеет относительно небольшую поверхность соприкосновения с газами, так как круг представляет сооои геометрическую фигуру с наименьшим периметром' при данной площади. При круглом конусе значительная доля пара, находящаяся в центральных внутренних участках сечения струи, выбрасывается почти непроизводительно, так как, будучи окружена периферийными слоями пара, не входит в непосредственное соприкосновение с газами сгорания, заполняющими дымовую коробку. Придав отверстию насадка прямоугольную или, лучше, крестообразную форму, как показано на фиг. 167, мы увеличиваем периметр сечения струи и тем самым увеличиваем поверхность соприкосновения пара с газами сгорания.

Размеры насадков на фиг. 167 предусматривают постановку последних на паровозы сер. «Э». Испытания этих насадков показали целесообразность их применения, так как разрежение в дымовой коробке при наличии таких насадков увеличивается. Кривые на фиг. 168 показывают величины разрежения, даваемого всеми тремя насадками конусов,-круглым насадком, две самых верхних-прямоугольным и крестообразным. Заметим, что сечение у всех насадков одинаковое; следовательно, и противодавление в цилиндрах при наличии различных насадков тоже примерно одинаковое. Фиг. 168 показывает сравнительную величину разрежения, даваемого конусом с круглым отверстием диаметром 162 мм (достаточным для нужного парообразования), и разрежения, даваемого фасонными насадками. Увеличенное разрежение позволяет несколько увеличить сечение фасонных насадков и получить при этом уменьшение противодавления в цилиндрах, т. е. увеличить кпд паровоза.

Заметим, что прямоугольная форма насадка, показанного слева на фиг. 167, не дала полного результата из-за несоответствия сечения самой дымовой трубы форме струи. Здесь трубе нужно было бы дать эллиптическое (вместо круглого) сечение. Такие трубы за границей применялись в виде опыта и дали несколько лучшие результаты. Во всяком случае крестообразная форма насадка дает относительно лучший результат. Все же на вновь строящихся паровозах применять крестообразные насадки, в том числе и более рационально сконструированные (например, согласно нижних проекций фиг. 170), не имеет смысла. Здесь вполне целесообразно итти на дальнейшее увеличение периметра струи, применяя одновременно с этим и расщепление ее. Еще несколько лет назад во Франции зарекомендовали себя с положительной стороны петикоты оригинальной конструкции, расщепляющие струю пара, вылетевшего

8. Аппарат тяги газов сгорания
Фиг. 167.
8. Аппарат тяги газов сгорания

из конуса. Такие петикоты предложены Киляля (Ку1а1а) и называются «насадками Киляля». На фиг. 169 показана дымовая коробка с двумя петикотами; нижний петикот имеет совершенно необычное устройство: в своей нижней части петикот снабжен обыкновенным раструбом, а в верхней имеются четыре трубы, расщепляющие струю на четыре самостоятельных, как показано на верхних проекциях фиг. 170. Потери энергии пара на удар при входе в отдельные четыре патрубка сведены до минимума соответствующей формой этих патрубков: в своей нижней части они имеют сечение в виде квадранта и постепенно получают вид, близкий к эллиптическому. Насадки Киляля дают увеличение мощности паровоза на 3,0-3,5% за счет возможности увеличения выхлопного сечения конуса; разрежение в дымовой коробке резко увеличивается за счет энергичного выбрасывания газов сгорания четырьмя струями пара. На фиг. 168 показаны кривые разрежений, даваемых конусами с насадками Киляля.

На фиг. 169, кроме насадка Киляля, показан еще и обычный петикот. Испытания показали вполне удовлетворительную работу паровоза и при отсутствии верхнего петикота; диаметр дымовой трубы при этом должен быть несколько увеличен.

Произведенные в США испытания фасонных насадков конусов, где расщепление струи пара производится еще в самом насадке, показали еще лучшие результаты.

За последние годы в США получили большое распространение «звездчатые» насадки. Такие насадки применены на паровозах сер. «ТА» и «ТБ», были поставлены: и на первых паровозах сер. «ФД» и «ИС». На фиг. 171 показан насадок в применении к паровозам сер. «ФД» и «ИС». Здесь паровая струя расщепляется нашесть отдельных струй; общий периметр достигает больших значений, в несколько раз превосходящих периметр сечения равновеликого круглого конуса. Разрежение здесь увеличивается еще более, что позволяет пойти на значительное увеличение суммарной площади прохода. Правда, здесь сказывается и увеличенное сопротивление проходу пара через такой фасонный насадок, - но в значительно меньшей степени по сравнению с увеличением разрежения. Во всяком случае фасонные насадки конусов могут иметь суммарную площадь сечения на 20-30% больше сечения простого круглого насадка. Звездчатые насадки конусов дают увеличение мощности паровоза в среднем на 4-5%. В виду трудности расчета сечения такого конуса с расщеплением струи было запроектировано три варианта ширины щелей, как показано на нижней проекции фиг. 171. Насадок отливается (ч. л.-З) со щелями в 40 мм шириной с тем, чтобы при необходимости можно было расфрезеровать их на размер в 45 и 50 мм.

Рассматривая фиг. 171, мы видим, что общий диаметр насадка здесь достигает очень большой величины,-325 мм. Следовательно, такой начальный диаметр будет иметь струя вылетающего из насадка пара. Струя всегда имеет коническую, форму, следовательно, в верхней ее части, входящей в нижнее отверстие дымовой трубы, диаметр будет также соответственно больше, т. е. в итоге мы видим, что при фасонных насадках диаметр дымовой трубы должен быть большим, чем при круглых простых насадках. При ширине щели в 40 мм такой звездчатый насадок имеет суммарную площадь сечения, равную площади круглого насадка диаметром 170 мм; при ширине щели в 45 мм-соответственно 175,5 мм и в 50 мм- 182,5 мм. Как видно из этих цифр, круглый конус имел бы значительно более компактные размеры насадка, самой струи и, следовательно, дымовой трубы.

При увеличенных диаметрах дымовой трубы и при редких выхлопах отработавшего пара (и небольших отсечках) может иметь место обратный подсос воздуха по дымовой трубе,-из атмосферы в дымовую коробку. Если этот подсос иногда имеет место и при обычных круглых конусах, то при звездчатых конусах подсос значительно увеличивается, что, естественно, вызывает значительное падение разрежения в дымовой коробке.

Уже давно была замечена нерациональность соединения выхлопных труб' от обоих цилиндров в о д н у трубу, являющуюся основанием конуса, на

8. Аппарат тяги газов сгорания
Фиг. 169.
8. Аппарат тяги газов сгорания

которое и устанавливается насадок конуса. Выхлопы из цилиндров по времени не совпадают один с другим, и поэтому в тройнике, где трубы от обоих цилиндров соединяются в одну, всегда имеют место, во-первых, значительное завихрение струи, вызывающее потери энергии выхлопного пара, и, во-вторых, перетекание части пара из одной выхлопной трубы в другую, как показано на фиг. 172 слева1. Изображенный на фиг. 166 конус паровоза сер. «Э» нерационален также и потому, что трубы подходят одна к другой под большим углом, еще увеличивающим завихрение. На фиг. 173 показана колонка (основание) конуса первых паровозов сер. «ФД» и «ИС». Здесь мы видим более рациональное соединение труб; угол между ними . близок к нулю, так как внутри отливки имеется вертикальное ребро с постепенно уменьшающейся толщиной. Колонка укрепляется непосредственно на блочных цилиндрах, в ' центре их верхней поверхности, на которую опирается дымовая коробка.

Стремление к дальнейшему уменьшению потерь энергии пара при выходе в конус привело к мысли сделать раздельный выхлоп, когда для каждого из цилиндров в конусе предусматриваются «свои» отверстия, изолированные от выхлопных отверстий другого цилиндра. На фиг. 172 справа показана схема работы конуса с раздельным выхлопом. От левого цилиндра пар выходит в два выхлопных насадка, как показано стрелками, при чем нигде нет сообщения с полостями правого цилиндра. От правого цилиндра выхлоп происходит таким же образом в другие два отверстия, не попавшие в разрез. Итак, здесь мы имеем всего четыре отверстия, попарно обслуживающих паровые цилиндры. На фиг. 174 показан чертеж такого «четырехдырного» конуса с раздельным выхлопом, применяющегося на всех наших серийных паровозах «ФД», а также и на паровозах сер. «ИС». По сравнению с обычными конусами прежних систем конусы с раздельным выхлопом отличаются незначительным противодавлением в цилиндрах,-в среднем в два с лишним раза меньшим: это дает заметное увеличение площади индикаторной диаграммы (на 6-7%). Четырехдырный конус устанавливается непосредственно на цилиндровом блоке; пар входит в конус по двум большим прямоугольного сечения каналам. Внутри отливки каждый канал раздваивается, при чем для получения симметричного расположения обеих пар отверстий относительно дымовой трубы здесь применено крестообразное размещение выхлопных отверстий. Так, левая верхняя проекция фиг. 174 показывает размещение каналов от одного цилиндра; для того, чтобы пропустить пар от другого цилиндра, эти каналы в средней своей части раздвинуты, и образовавшееся окно, имеющее форму, близкую к ромбу, служит для пропуска пара от другого цилиндра. Последнее поясняется и правой верхней проекцией, показывающей разрез конуса поперечной плоскостью.

В работе такие четырехдырные конусы с раздельным выхлопом зарекомендовали себя в общем с положительной стороны. Из всех имеющихся они наилучшие. Паровозы сер. «Э»и «Су», проходящие капитальный ремонт,теперь обо-

Фиг. ПО.

1 Перетекающий к другому цилиндру пар создает там подпор на нерабочую сторону поршня.

8. Аппарат тяги газов сгорания

рудуются такими конусами. Недостатками рассматриваемых конусов является, все же, во-первых, некоторый подсос изгари из дымовой коробки в золотники и цилиндры (при езде без пара). Вторым недостатком, на который пока не обратили внимания ни американцы, ни мы, является неравномерное заполнение дымовой трубы: каждый выхлоп происходит лишь в д в а патрубка, расположенные один возле другого. Если так, то струя пара имеет примерно эллиптическую форму, и при круглом сечении трубы неизбежным является подсос воздуха в дымовую-коробку. Конечно подсос этот невелик и ощутительным не является, но все же было бы рациональным сконструировать и испытать ш е с т и д ы р н ы й конус с раздельным выхлопом, в котором пар из каждого цилиндра выходил бы по трем трубам, как показано на схеме фиг. 175. Правда, здесь модель несколько усложняется, так как уже не один канал, а два будут пересекать пару других, но это усложнение невелико, тем более, что никакой станочнойобработки каналы в дальнейшем не требуют (кроме зачистки).

В предлагаемом шеститрубном конусе заполнение трубы будет значительно более-полным. Опасаться увеличения диаметра дымовой трубы здесь также не приходится, так как средние оси отдельных выхлопных отверстий следует сделать с небольшим наклоном к середине дымовой трубы. Расточка отверстий не под прямым углом, потребует самых элементарных приспособлений для вертикально-расточного или карусельного станка. Очень важным моментом в таких многодырных конусах является плавное расщепление внутри конуса паровой струи на ряд отдельных-без завихрений. Последние могут свести на-нет все преимущество таких конусов.

В заключение отмечаем, что работа паровоза как в смысле мощности, так и экономичности во многом зависит от типа и конструкции конуса. За границей имеется огромное количество всевозможных типов конусов, большинство которых по сути дела не улучшает работы паровоза, но тем не менее широко рекламируется. Часто новым конструкциям приписывается значительное увеличение кпд, паровоза, выведенное из опытов, но эти опыты производятся с недостаточной тщательностью, часто не вполне беспристрастно; поэтому рекомендуем относиться к отдельным цифровымданным экономии, увеличения мощности и т. д., почерпнутым из иностранной литературы, с достаточной осторожностью, а главное внимание обращать на оценку характерных особенностей конструкции, могущих дать положительный эффект. Наиболее углубленно и обстоятельно работа по усовершенствованию конусов ведется на французских ж. д., действительно уже имеющих определенные достижения. Подчеркнем, что в улучшении конуса заложены большие возможности дальнейшего повышения фор-сировок котлов.

8. Аппарат тяги газов сгорания
Фиг. 175.

Типы и конструкции дымовых труб

Труба представляет собою следующую за конусом часть общего вытяжного устройства. От правильной установки трубы и правильного ее расположения на высоте и соответствия ее размеров диаметру конуса зависит исправное действие всего аппарата тяги газов сгорания. Труба служит для вывода в атмосферу отработавшего пара и продуктов горения с минимальными потерями на трение, завихрение-при возможно более полном отсутствии подсоса воздуха в дымовую коробку.

В виду того, что струя пара и газов, подходящая к трубе, постепенно расширяется и имеет коническую форму, такую же расширяющуюся кверху форму должна иметь и труба, при чем, как показывают исследования Штраля, полезно коничность трубы делать несколько меньшей, чем коничность струи газов и пара.

В старину, правда, дымовые трубы часто делались цилиндрическими, но это объясняется лишь недостаточным исследованием как формы струи, так и влияния коничности трубы на создаваемое в дымовой коробке разрежение.

На фиг. 176 показана коническая форма паровой струи, вылетающей из насадка конуса. По мере отдаления от насадка коничность струи уменьшается. ' Это уменьшение коничности объясняется сжатием струи радиальным напором проникающих частично внутрь паровой струи газов сгорания. При выходе из конуса струя пара имеет коничность х/з (данные Штраля), затем коничность уменьшается примерно до 1[6. В современных паровозах по мере вполне себя оправдывавшего понижения конуса относительно дымовой трубы коничность дымовой трубы (при круглых насадках конусов) уменьшается до 1/8 и даже до 1/,0. Так, Эбелинг (США) рекомендует брать коничность трубы 118-1,19; в США часто делают коничность труб до 1/ю- Учитывая все эти тенденции, оказалось возможным для дымовых труб первого паровоза сер. «ФД», имевшего круглый конус, назначить коничность в 1/ю- Наши старые паровозы имеют коничность труб большую 11!>-11т

Применение фасонных насадков конусов (например звездчатых) заставляет несколько увеличивать коничность трубы, так как большого радиального напора газов на струю пара здесь нет. Для звездчатых конусов паровоза сер. «ФД» дымовая труба была запроектирована с коничностью в х/6. Такая коничность несколько велика, так как отдельные струи пара почти соединяются в одну мощную струю уже вблизи от конуса, и далее поток пара и газов движется в виде одной струи, все же испытывающей некоторый радиальный напор окружающих ее газов. Полагаем наиболее целесообразным коничность трубы в этом случае (звездчатые конуса) делать 11&-х/7.

При четырехдырном конусе коничность трубы может быть уменьшена, так как по существу мы имеем здесь две круглых струи пара.

Наилучшей величиной коничности может считаться 119-1110', у паровозов сер. «ФД» и «ИС» при четырехдырном конусе-х/10.

Что касается самого типа дымовой трубы, то здесь также можно провести резкую грань между старым и новым паровозами: трубы старых или не имеют вовсе или имеют незначительные раструбы нижней части; дымовые трубы старых паровозов размещаются в основном вне пределов дымовой коробки. На фиг. 4, между прочим, показана дымовая труба паровоза сер. «Эм». Труба цельная, отлитая из чугуна (ч. л.-З). Прежде часто делались составные трубы: цоколь чугунный, сама труба-клепаная железная. Такие трубы устарели; они хотя и легче цельных чугунных, но недолговечны. При увеличении размеров котла, когда продольная ось его высоко поднимается над головкой рельса (до 3,4-^3,5 м), трубы имеют небольшую высоту над барабаном дымовой коробки.

Дымовые трубы мощных котлов, как уже было указано раньше, взамен пети-котов имеют большие раструбы в нижней части трубы, опущенной в дымовую коробку. Эти раструбы называются смесителями или диффузорами. Диаметр их у современных паровозов делается в пределах 800-1000 мм. Подобные смесители имеют применение и на некоторых наших старых паровозах, например, сер. «Су», но, несмотря на то, что размеры этих смесителей невелики, все же они позволяют отказаться от постановки петикотов.

На фиг. 177-178 показана дымовая труба паровоза сер. «ФД», состоящая, как видно из чертежа, из трех частей: цоколя, собственно трубы и смесителя^. Цоколь отливается из стали (ст. л.-2) и приваривается к дымовой коробке воздухонепроницаемым швом. Приварка цоколя удачно разрешает во-

8. Аппарат тяги газов сгорания
Фиг. 176.
8. Аппарат тяги газов сгорания

прос о герметичности соединения фланца дымовой трубы с барабаном дымовой коробки и позволяет обойтись без кропотливой пригонки фланцев обычных чугунных дымовых труб.

Заметим, что такая дымовая труба предусматривает возможность обратного порядка сборки конуса и дымовой трубы. Здесь сперва может ставиться конус, и по нему центрируется дымовая труба. После центровки производится приварка цоколя. При наличии блочных цилиндров, когда пароотводные трубы в дымовой коробке отсутствуют и конус устанавливается непосредственно на цилиндры, приварка цоколя дымовой трубы оказывается не только вполне возможной, но и весьма желательной, так как этим самым значительно упрощается сборка этих частей паровоза при ремонте.

За последнее время в зап. Европе и частично у нас (паровозы сер. «СО») получают распространение дымоотбойные щиты, устанавливаемые с боков дымовой коробки, как показано на фиг. 179. При езде без пара выходящие из трубы газы отбрасываются потоком воздуха вверх и не попадают в будку машиниста.

Расчет основных размеров конуса и дымовой трубы

Подсчитать основные размеры трубы и конуса так, чтобы вытяжная установка работала одинаково хорошо при любом режиме работы паровоза конечно невозможно, так как с переменой таких факторов, как скорость, отсечка и давление пара, топливо, меняются и условия работы конуса и трубы. Поэтому хорошо рассчитанная для данных определенных условий установка будет давать худшие результаты при других условиях. В виду этого конус и труба должны быть рассчитаны для напряженных, преимущественных, условий работы паровоза. Вместе с тем надо отметить, что в теоретические формулы по необходимости вводятся опытные коэфициенты, опять-таки полученные при определенных условиях и на определенных паровозах. Применение этих коэфициентов для расчетов при других условиях, несомненно, уменьшает точность получаемых результатов. В итоге теория дает возможность произвести лишь приближенный расчет. Размеры вытяжной установки, подсчитанные таким образом, должны быть проверены на практике и при необходимости изменены соответствующим образом.

Основываясь на гидродинамическом законе движения жидкостей, Цейнер дал теоретическую формулу для определения зависимости между площадями сечения дымовой трубы (в узком месте-в «горле») и выхлопным сечением конуса. Наличие в формуле нескольких коэфициентов, величина которых могла быть определена только опытным путем, долгое время не позволяло уверенно пользоваться формулой Цейнера. Штраль провел большую исследовательскую и экспериментальную работу по определению этих коэфициентов. Теоретической формулой, устанавливающей зависимость между диаметрами конуса и трубы, с одной стероны, и объемом выхлопного пара и газов, с другой стороны, является формула Цейнера-Грове

-Я.=Л / -к- • (56^

Здесь:

() - секундный объем газов сгорания в м3-; Оп-секундный объем выхлопного пара в м3; Рг- площадь узкого сечения (горла) дымовой трубы в м2;

}к - выхлопное сечение конуса в м2;

£ = 9,81-ускорение силы тяжести;

с - коэфициент конусности дымовой трубы:

с-°'5[1+Ш} (56'5'

Обычно с берется в пределах 0,75-0,80;

р - площадь устья (верхнего отверстия) дымовой трубы в м%; ус*-удельный объем вылетающей смеси (газы и пар) в мъ\кг; К - площадь колосниковой решетки в м2;

р - гидравлический коэфициент котла, учитывающий сопротивление проходу газового протока через зольник, слой топлива, жаровые и дымогарные трубы и искроудержатель. Для перегревных паровозов поШтралю: ц = ах + а2 + а3 + а4, (57) где аъ а2. а3-коэфициенты сопротивления зольника, слоя топлива и искроудержателя, а4-коэфициент сопротивления трубчатой части котла. Величина ^является превалирующей. Для современных паровозов с достаточной точностьюа1 + о2 + а3 = (16^-19). (58) Величина а4, всегда в несколько раз большая суммы аг + а2 + а3, под-считывается по преобразованной формуле Штраля:

°'-!(0'04+0'005^;.)'&Т' ,59)

I Дс.

1тр - длина труб в мм;

йдытг - внутренний диаметр дымогарных труб в мм;

ь>ж и <2а - площади живого сечения всех жаровых и дымогарных труб вм%.

Величина слагаемого а4 колеблется в широких пределах-40-130.

8. Аппарат тяги газов сгорания

Фиг; 179.

Вернемся к основной формуле (56). Штраль рекомендует условно принимать отношения

А ^2,6; <60> £>„

-1-3,5,5. <б1>

различных! по размерам и режиму работы паровозах эти величины колеблются в узких пределах, и пользоваться этими средними величинами оказывается вполне возможным.

Установив опытную зависимость между сечениями Рг и fK:

f. = 9,5/K, ■ (62)

;Штраль в результате довольно громоздких вычислений получает искомые величины F\ и Д..

После определения сечений, а следовательно, и диаметров трубы и конуса необходимо расчертить всю установку и определить относительное расположение деталей аппарата тяги газов сгорания. Прежде всего нужно узнать высоту дымовой трубы.

Высота трубы над дымовой коробкой определяется габаритом подвижного состава так, чтобы между линией габарита и верхней кромкой трубы оставалось расстояние не меньше 25-40 мм.

Затем, расположив возможно ниже конус, но так, чтобы при постановке, например, дефлекторного искроудержателя оставался все же нужный проход под горизонтальным листом, намечают расположение горла трубы на высоте 0,5-0,6 всего расстояния от конуса до устья трубы. Схема размещения горла трубы и других элементов вытяжного устройства показана на фиг. 180; диаметр узкого сечения дымовой трубы обозначен Ьг, устья-dy, конуса-dK.

Высота самой дымовой трубы:

h = (0,5 -5-0,4) Я, (63)

где И-высота от устья конуса до устья трубы. .

По Штралю, кроме того, должно быть соблюдено условие:

Л = (1,6-н1,8К. (64)

Из формул (63) и (64) получается:

Я = (3,2-5-4,5)«/,, (65)

т. е. в среднем:

Н^4йг. (65')

8. Аппарат тяги газов сгорания

Стремление упростить сравнительно громоздкие расчеты конуса и трубы обусловило появление целого ряда эмпирических формул, дающих более или .менее точные результаты. Упомянем прежде всего формулу:

Л =2 0,33(^-1-ад (66)

которая позволяет ориентировочно определить площадь сечения горла трубы, а стало быть и его диаметр, вне зависимости от диаметра устья конуса. Приняв во внимание зависимость (62), легко можно подсчитать и /„.

Целый ряд эмпирических формул, с той или иной точностью, обычно не всегда удовлетворительной, дает площадь (диаметр) конуса. Распространением в свое время пользовалась формула Борриса:

, 100/? ,™

/» =-Т> (^

1+0'1^"

где:

/„ - площадь сечения конуса в см2;

Й-площадь колосниковой решетки в м2;

Итр-живое сечение всех жаровых и дымогарных труб в м2.

Формула эта дает несколько преувеличенную площадь конуса. Учитывая опыты Штраля, произведенные значительно позже составления Боррисом этой формулы, следовало бы вообще воздержаться от рекомендации последней, но мы ее приводим по другим соображениям,-для ориентировочного расчета звездчатых (и вообще фасонных) насадков.

Эбелинг недавно предложил удачную эмпирическую формулу, дающую результаты, весьма близкие к получаемым по формулам Цейнера-Грове и Штраля. Расчет по Эбелингу однако несравнено проще, чем по этим формулам. Практически формула Эбелинга дает достаточно точные результаты. Формула имеет вид: _

/„ = 156]/" *0т* • (68)

Здесь обозначения и размерность те же, что и в формуле Борриса. Именно этой формулой мы рекомендуем пользоваться для быстрого и достаточно точного определения диаметра конуса.

Имеется и еще одна новая удовлетворительная формула, дающая обычно лишь немного" преувеличенные результаты,-формула Нордмана:

Г/. = 40+0,62 Я^, (69)

где Нисп - полная испаряющая поверхность нагрева котла в м2; \к-здесь в см2.

Все изложенные рассуждения касались исключительно конусов с круглыми отверстиями. Что касается фасонных насадков, то расчет здесь еще более усложняется. Поэтому, учитывая возможность увеличения площади выходного отверстия при фасонных насадках на 15-35% (в зависимости от увеличения периметра фасонного насадка по сравнению с круглым), ведем расчет на круглый насадок и, получив площадь его сечения, соответственно увеличиваем ее в указанной пропорции; крестообразные насадки должны иметь меньший процент увеличения; звездчатые, как наиболее резко увеличивающие периметр, - больший процент. У четырех-дырных конусов с раздельным выхлопом площадь всех отверстий увеличивается на 45-50%.

В заключение всех расчетов нужно проверить степень заполнения дымовой трубы струей отработавшего пара и газов. Штраль указывает, что может быть такое положение конуса по высоте дымовой коробки, когда струя не заполнит всего сечения устья трубы. В этом случае может возникнуть подсос воздуха из атмосферы в дымовую коробку. Поэтому, проведя через верхнюю кромку трубы наклонные линии, условно изображающие, как показано на фиг. 181, контур вылетающей струи (т. е. с коничностью в 1/6), мы должны иметь нижний диаметр й этой условной «струи» несколько большим диаметра конуса.

Для того, чтобы не было подсоса воздуха в дымовую коробку через трубу, струя пара :и газов должна полностью заполнить сечение трубы в устье (или даже немного ниже его). Для осуществления этого конус следует расположить по отношению к устью трубы так, чтобы реализовать условие (56). Графически положение конуса для данной трубы может быть получено согласно указаниям Штраля следующим образом. Имея в виду, что коничность струи х/6, через верхнюю кромку трубы фиг. 181 проводим две наклонные линии, условно изображающие вылетающую «струю».

Нижний условный «диаметр» этого конуса йх должен быть по Штралю:

8. Аппарат тяги газов сгорания

^^^ + (8,0-5-8,5) см. (70)

Здесь слагаемое в 8,0-^-8,5 см учитывает большую коничность струи пара, только что вылетевшей из конуса.

Такой графический способ проверки заполнения дымовой трубы струей пара и газа позволяет установить возможность понижения или, наоборот, повышения расположения конуса проектируемого или модернизируемого паровоза. Таким же образом производится проверка вписывания всей струи газов и пара в трубу. При чрезмерном понижении конуса может получиться удар струио стенки трубы; место, где струя ударится в стенку трубы, обозначено X на фиг. 181. -Заметим кстати, что при постановке фасонных насадков конусов, когда диаметр окружности, описывающей выхлопные окна конуса, увеличивается по сравнению с круглым конусом, соответственно должен быть увеличен и диаметр дымовой трубы.

В эксплуатации паровоза необходимо обращать самое серьезное внимание на правильное расположение конуса. Уже небольшая неправильность приводит к резкому уменьшению разрежения и ухудшению работы паровоза.

Сифон

Сифон является необходимой принадлежностью всякого паровозного котла, оборудованного конусной установкой. При вентиляторной тяге (если вентилятпп приводит в движение турбина, могущая работать и свежим паром) сифон, естественно, не нужен.

Для того, чтобы при езде с закрытым регулятором иметь разрежение в дымовой коробке, необходимое для поддержания хорошего огня в топке, иногда бывает недостаточно выбрасываемого в конус воздуха, засасываемого в цилиндры через клапан Ри-кура или паровоздушный клапан. Работа сифона создает нужное разрежение, достигающее 20 - 30 мм водяного столба.

На стоянках паровоз оборудованного конусом сифон является единственным элементом (не считая ничтожной естественной тяги), усиливающим поступление воздуха в топку.

Наиболее распространенным и удовлетворительно работающим типом сифона является кольцо,диаметром 300-400 мм, свернутое из стальной трубки и расположенное примерно в одной горизонтальной плоскости с отверстием конуса в виде пустотелого кольцевого канала, окружающего конус. Иногда трубка отливается за одно целое с конусом. В этой трубкеделается ряд отверстий диаметром 3-4 мм таким образом, чтобы вылетающий из них пар попадал в дымовую трубу. Сущность работы сифона та же, что и конуса.

Конечно, сифон может иметь и другую конструкцию, хотя бы в виде одной трубки, отверстие которой направлено вверх и расположено по оси дымовой трубы (т. е. расположено над конусом), но действие такого сифона будет хуже.

8. Аппарат тяги газов сгорания

Фиг, 182

Для создания нужной величины разрежения суммарная площадь отверстий должна быть в среднем:

21 = 200--240 см2. (71)

Для наших паровозов нормальной мощности она несколько менее этой величины (для паровоза сер. «Э»-168 мм2, сер. «Су»-175 мм2), для мощных-несколько больше (для паровозов сер. «ФД» и «ИС»-250 мм2). Трубка, подводящая пар к сифонному кольцу, а также и самое сифонное кольцо должны иметь площадь сечения, примерно вдвое большую сечения всех отверстий сифонного кольца. Недостаточный диаметр подводящей трубки иногда является причиной плохой работы сифона.

Наши старые паровозы часто имеют сифоны, расположенные очень высоко,- у нижнего отверстия дымовой трубы. Такое расположение дает худшие результаты по сравнению с низко расположенными сифонами. Причины ухудшения нам уже известны (явление то же, что и при высоком расположении конуса).

В целях уменьшения расхода пара (тепловой энергии) на работу сифона желательно использовать перегретый пар вместо насыщенного. Заметим, что у мощных паровозов, имеющих пароразборные колонки перегретого пара (о них сказано ниже), для работы сифона используется перегретый пар.

В заключение укажем, что в настоящее время делаются попытки применить принципиально новые типы сифонов,-в виде сопла Лаваля, как это показано, например, на фиг. 182, изображающей опытный сопловый сифон паровозов сер. «ФД» и «ИС». Пар, как видно из чертежа, выходит из сопла в особую камеру, куда засасываются газы по шести каналам, окружающим сопло. Такой сифон в итоге работает как обычный круглый сифон с диаметром отверстия в 70 мм. Здесь за счет большой скорости вырывающегося из сопла пара по каналам увлекаются и газы. Такая смесь газов и пара является конечным рабочим телом, в то время как в обычных сифонах рабочим телом оказывается лишь пар. Результаты испытаний такого сифона оказались неудачными не столько в силу неправильной конструкции самой головки сифона, сколько, по нашему мнению, за счет крайне неудачного расположения головки относительно дымовой трубы. Сифон был расположен рядом с конусом; направление удара струи сифона не совпадает с осью дымовой трубы; возникающие при таком расположении потери на удар и на завихрения безусловно явились основными причинами неудовлетворительных результатов, хотя конечно и самая конструкция головки подлежит более основательной проработке как самого сопла, так и формы шести каналов-согласно с законами истечения струи.

⇐ | Искроудержатель || Конструкции паровозов || Дверки дымовой коробки | ⇒