Устройство паровоза

Классический паровой паровозный котёл состоит из следующих основных частей (на рисунке выше — слева направо): топка, цилиндрическая часть и дымовая коробка[4].

Топка Бельпера в разрезе

Топка, она же камера сгорания, служит для преобразования химической энергии, заключённой в топливе, в тепловую. Конструктивно топка представляет собой две вложенные друг в друга стальные коробки: огненная коробка (собственно топка) и кожух, соединённые между собой специальными связями. Паровозная топка работает в крайне тяжёлых температурных условиях, поскольку температура от сгоревшего топлива может достигать 1600 °C, а между огненной коробкой и кожухом при работе находится слой пара под большим давлением (десятки атмосфер). Поэтому топку собирают из минимально возможного числа деталей, в частности огненная коробка состоит из пяти листов: потолок, два боковых, задний и трубчатая решётка. Последняя является местом перехода от топки к цилиндрической части[5].

В нижней части топки расположена колосниковая решётка, которая служит для поддержания слоя горящего твёрдого топлива. Как понятно из названия, она имеет решётчатую структуру, что обеспечивает приток свежего воздуха в топку. Большие колосниковые решётки состоят из нескольких отдельных решёток — колосников. В заднем листе топки расположено шуровочное отверстие, через которое забрасывается топливо. На мощных паровозах в верхней части топки расположены циркуляционные трубы и (или) термосифоны, служащие для повышения циркуляции воды в котле. На этих трубах крепится специальный свод из кирпичей, защищающий потолок и трубчатую решётку от воздействия открытого пламени[5].

Между собой топки различают по форме потолка: с плоским потолком и радиальные. Топка с плоским потолком, также известная как топка Бельпера, имеет относительно большой объём огненной коробки, благодаря чему обеспечивается полнота сгорания топлива. В результате такие топки были весьма распространены у ранних паровозов, а в ряде стран выпускались вплоть до конца паровозостроения (например, паровозы Э^р, выпускавшиеся Чехословакией и Польшей вплоть до 1957 года). Однако топку Бельпера сложно стыковать с цилиндрической частью котла. Помимо этого, большая ширина ограничивает применение по габариту, особенно в верхней части, а на мощных паровозах требуется устанавливать большое число связей между огненной коробкой и кожухом, так как плоские листы хуже противостоят высокому котловому давлению. Поэтому на мощных паровозах стали применять топки с радиальным потолком (радиальная топка). Радиальная топка легче топки Бельпера и лучше противостоит высокому давлению пара. Но у радиальной топки есть серьёзный недостаток: относительно малый объём топочного пространства, из-за чего топливо сжигается менее эффективно, а несгоревшие частицы угля могут повредить внутреннюю поверхность котла. Поэтому в передней верхней части таких топок нередко устанавливают камеру догорания, которая улучшает эффективность сгорания топлива (хотя нередко это мнение преувеличивают)[5][6].

Трубы цилиндрической части котла

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

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

Гарнитура котла — приборы и устройства для обеспечения тепловой работы котла. Они позволяют обеспечить сожжение нужного количества топлива с наименьшими потерями. В зависимости от расположения, различают гарнитуру топки и гарнитуру дымовой коробки. Также стоит отметить такой прибор как сажесдуватель, который может располагаться как в топке, так и в огненной коробке топки, либо вовсе быть переносным. Сажесдуватель служит для очистки внутренней поверхности дымогарных и жаровых труб от сажи и изгари, тем самым позволяя увеличить передачу тепла от горячих газов через стенки труб к воде и пару. Очистка производится направлением струи пара внутрь труб. Впоследствии на многих паровозах сажесдуватели были демонтированы[7].

Колосниковая решётка со слоем горящего топлива

К гарнитуре топки прежде всего стоит отметить колосниковую решётку, расположенную в огненной коробке на уровне топочной рамы. Данная решётка служит для поддержания слоя горящего твёрдого топлива, а также, как понятно из названия, обеспечивает к нему, за счёт щелей, приток необходимого для горения воздуха. Из-за больших размеров (на паровозе серии Л её размеры — 3280×1830 мм), колосниковая решётка делается из отдельных элементов — колосников, которые расположены поперечными рядами. На ранних паровозах колосники были неподвижными, впоследствии стали строиться паровозы с подвижными (качающимися) колосниками, что позволяло упростить очистку топки от шлаков и золы. Привод качающихся колосников преимущественно пневматический. Шлаки и зола из топки ссыпаются в расположенный под топкой специальный бункер — зольник, верхняя часть которого охватывает всю колосниковую решётку, а нижняя, из-за дефицита свободного пространства, располагается преимущественно между боковинами основной рамы паровоза. Для пропуска воздуха в топку, зольник оборудуется специальными клапанами, которые используются также и для очистки бункера от шлаков. К гарнитуре топки ещё относят и топочные (шуровочные) дверцы, которые закрывают шуровочное отверстие (служит для заброса топлива в топку), тем самым разделяя пространства топки и будки машиниста. Так как и зольник, и решётка обеспечивают приток свежего воздуха в огненную коробку, засорение (шлакование) их воздухопроводов и щелей может привести к серьёзному падению мощности котла, поэтому при использовании антрацитов и низкокалорийных углей применяют шлакоувлажнитель, представляющий собой несколько трубок с отверстиями, расположенными по периметру колосниковой решётки. Периодически через них пропускают пар, который понижает температуру у самой решётки, а соприкасаясь со шлаком делает его более пористым[7].

Если паровоз отапливается нефтью или мазутом (распространено на современных^{[когда?]} паровозах), то в топке устанавливают нефтяные форсунки и нефтепроводы. Форсунки обеспечивают тонкое распыление топлива, что необходимо для его полного сгорания. При этом из топки изымают колосниковую решётку, а вместо неё в зольнике и топке устанавливают специальный кирпичный свод (также известен как обмуровка), который служит дополнительной защитой топки от пламени, имеющего более высокую температуру (свыше 1600°), нежели при угольном отоплении, а также для рационализации процесса горения — если пламя кратковременно погасить, то раскалённый свод поможет воспламенить поступающее после перерыва топливо. Однако общий вес данного свода гораздо выше, чем у колосникой решётки, поэтому перевод паровоза с угольного на нефтяное отопление повышает общий вес паровоза, особенно его задней части[7].

Для горения топлива необходим воздух, причём его нужно достаточно много: на 1 кг угля или мазута требуется соответственно 10—14 кг или 16—18 кг воздуха. Очевидно, что подача такого количества воздуха в камеру сгорания (топку) естественным способом практически невозможна, что принуждает к созданию искусственной тяги газов в котле. Для этого в дымовой коробке устанавливают специальное дымовытяжное устройство, которое обеспечивает приток воздуха в топку за счёт создания разрежения в дымовой камере. Паровозные дымовытяжные устройства бывают нескольких конструкций, однако практически все они работают на уже отработанном паре, поступающем из тяговой паровой машины, что позволяет изменять подачу воздуха в зависимости от используемой мощности машины, то есть чем более напряжённо работает паровоз, тем сильнее горение и тем больше пара вырабатывается[7].

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

Наиболее простым дымовытяжным устройством является конус, который выглядит как форсунка конусовидного сечения, установленная под дымовой трубой. Принцип действия конуса заключается в том, что пропущенный через него отработанный пар приобретает высокую скорость (до 250—350 м/с), после чего направляется в дымовую трубу, где он, увлекая за собой воздух, создаёт в дымовой камере разрежение. Конусы бывают различных конструкций, в том числе одно-, двух- и четырёхдырные, переменного и постоянного сечения, с общим и раздельным выпуском. Наибольшее распространение получил четырёхдырный конус переменного сечения с раздельным выпуском, то есть когда пар из правого и левого цилиндров выпускаются раздельно. Однако несмотря на простоту конструкции, конус нельзя использовать на паровозах с конденсацией отработанного пара, поэтому на последних в качестве дымовытяжного устройства используется вентилятор (газосос). Привод вентилятора осуществляется от отработанного пара, что также как и при конусе делает регулировку тяги автоматической. Благодаря своим достоинствам, вентиляторная тяга стала применяться даже на паровозах без конденсации отработанного пара (например, советские СО^в и С^ум), однако из-за ряда недостатков (более сложная конструкция, нежели у конуса, а следовательно и более высокая стоимость ремонта, высокое противодавление при выпуске пара, сложность работы на высоких отсечках) в 1950-х гг. вентиляторная тяга была заменена на конусную[7].

Котёл характеризуется следующими параметрами:

• общая площадь нагрева в м² — эта площадь складывается из площадей нагрева топки, площади перегревателя, а также площадей дымогарных и жаровых труб;
• объём парового пространства в м³;
• зеркало испарения в м²;
• рабочее давление в атм;
• Объём заливаемой воды.