Паровий котел служить для отримання пари, тобто є первинним джерелом енергії. Пара на паровозі є основним робочим тілом у багатьох пристроях і механізмах і насамперед в тяговій паровій машині, яка перетворює енергію пари на зворотно-поступальний рух поршня, який у свою чергу за допомогою кривошипно-шатунного механізму трансформується в обертальний, змушуючи крутитися рушійні колеса. Крім цього, пара служить для привода пароповітряного насоса, паротурбогенератора, а також використовується в звукових сигналах — паровому свистку[en] і тифоні. Екіпаж паровоза, що складається з рами і ходових частин, є ніби пересувною основою (остовом) паровоза і служить для несення обладнання і для пересування паровоза по рейках. Також іноді в основні частини паровоза включають і тендер — причіплюваний до локомотива вагон, що служить для зберігання запасів води і палива[1][2].
Оскільки паровий котел є первинним джерелом енергії, то це робить його головним компонентом паровоза. У зв'язку з цим до котла ставиться цілий ряд вимог. До них перш за все належать надійність (безпека) роботи котла — це зумовлено тим, що тиск пари може досягати дуже високих значень (до 20 атм. і вище), що перетворює котел в потенційну бомбу, і будь-який дефект конструкції може привести до вибуху, водночас тим самим позбавивши паровоз джерела енергії. Саме вибух парового котла був одним з найвагоміших аргументів проти впровадження паровозної тяги в XIX столітті. Також паровий котел повинен бути зручний в керуванні, обслуговуванні та ремонті, мати можливість роботи на різних видах і сортах палива, бути якомога потужнішим, а також економічним[3].
Паровий котел складається з частин, які для зручності часто ділять на п'ять груп[3][4]:
Топка, вона ж камера згоряння, служить для перетворення хімічної енергії, вміщеної в паливі, на теплову. Конструктивно топка являє собою дві вкладені одна в одну сталеві коробки: вогнева коробка (власне топка) і кожух, з'єднані між собою спеціальними в'язями. Паровозна топка працює у вкрай важких температурних умовах, оскільки температура від згорілого палива може досягати 1600 °C, а між вогневою коробкою і кожухом при роботі знаходиться шар пари під великим тиском (десятки атмосфер). Тому топку збирають з мінімально можливого числа деталей, зокрема вогнева коробка складається з п'яти листів: стеля, два бічних, задній і трубчаста решітка. Остання є місцем переходу від топки до циліндричної частини[5].
У нижній частині топки розташована колосникова решітка, де розташовується шар палаючого твердого палива. Як зрозуміло з назви, вона має ґратчасту структуру, що забезпечує приплив свіжого повітря в топку. Великі колосникові решітки складаються з кількох окремих решіток — колосників. У задньому листі топки розташований шурувальний отвір, через який кочегар (або автоматичний вуглеподавач) закидає паливо. На потужних паровозах у верхній частині топки розташовані циркуляційні труби і (або) термосифони, що служать для підвищення циркуляції води в котлі. На цих трубах кріпиться спеціальне склепіння з цегли, що захищає стелю і трубчасту решітку від впливу відкритого полум'я[5].
Труби циліндричної частини котла паровоза TKt48-179
Між собою топки розрізняють за формою стелі: з плоскою стелею і радіальні. Топка з плоскою стелею, також відома як топка Бельпера, має відносно великий об'єм вогневої коробки, завдяки чому забезпечується повнота згоряння палива. У результаті такі топки були вельми поширені в ранніх паровозів, а в ряді країн випускалися аж до кінця паровозобудування (наприклад, паровози Ер, що випускалися Чехословаччиною і Польщею аж до 1957 року). Однак топку Бельпера складно стикувати з циліндричною частиною котла. Окрім цього, велика ширина обмежує застосування за габаритом, особливо у верхній частині, а на потужних паровозах потрібно встановлювати велике число в'язей між вогневою коробкою і кожухом, бо плоскі листи гірше протистоять високому котловому тиску. Тому на потужних паровозах стали застосовувати топки з радіальною стелею (радіальна топка). Радіальна топка легше топки Бельпера і краще протистоїть високому тиску пари. Але в радіальної топки є серйозний недолік: відносно малий об'єм топкового простору, через що паливо спалюється менш ефективно, а незгорілі частинки вугілля можуть пошкодити внутрішню поверхню котла. Тому в передній верхній частині таких топок нерідко встановлюють камеру догорання, яка покращує ефективність згоряння палива (хоча нерідко цю ефективність перебільшують)[5][6].
Циліндрична частина котла
Циліндрична частина парового котла є його основною частиною, бо саме в ній відбувається основне пароутворення. По суті, циліндрична частина є димогарним котлом, бо нагрів води відбувається за рахунок розташованої у ній значної кількості (до декількох сотень штук) димогарних труб, всередині яких протікають теплові повітряні потоки. Оболонка циліндричної частини складається з кількох барабанів (зазвичай трьох і більше), з'єднаних телескопічним методом, тобто вкладених один в один. Вперше багатотрубчастий котел на паровозах був застосований в 1829 році, а саме — на знаменитій «Ракеті»Стефенсона.
Часто в циліндричній частині розташований і пароперегрівник, розміщений в трубах, які здебільшого аналогічні димогарним, але більше діаметром. Такі труби називають вже жаровими, а сам пароперегрівник — жаротрубним.
Подача води в котел (живлення котла) проводиться з тендерного бака (на танк-паровозах — з паровозного бака) живильними приладами, у ролі яких можуть виступати поршневі або відцентрові насоси, а також парові інжектори (струминні насоси). На пізніших паровозах переважно використовувалися інжектори: завдяки їхній простоті в керуванні й надійності в роботі. На паровозі має бути не менш двох живильних приладів (два інжектори або один інжектор і один насос). Кожен прилад споряджений автоматичним живильним клапаном, що закривається при підйомі тиску в котлі, і запірним вентилем.
Димова коробка розташована в передній частині паровоза, перед котлом, на протилежному топці боці. Служить для збирання газів згоряння, що виходять з димогарних і жарових труб, і виведення їх в атмосферу через димову трубу. Відіграє важливу роль у створенні тяги повітря в топці, що в свою чергу, дозволяє значно підвищити потужність паровоза. Також в димовій коробці встановлюються різні пристрої, які уможливлюють поліпшити роботу локомотива.
Гарнітура котла — прилади та пристрої для забезпечення теплової роботи котла. Вони уможливлюють забезпечити спалення потрібної кількості палива з найменшими втратами. Залежно від розташування, розрізняють гарнітуру топки і гарнітуру димової коробки. Також варто відзначити такий прилад як сажездувач, який може розташовуватися як в топці, так і у вогневій коробці топки, або зовсім бути переносним. Сажездувач служить для очищення внутрішньої поверхні димогарних і жарових труб від сажі і згару, тим самим дозволяючи збільшити передачу тепла від гарячих газів через стінки труб до води і пару. Очищення проводиться спрямуванням струменя пари всередину труб. Надалі на багатьох паровозах сажездувачі були демонтовані[7].
У гарнітурі топки перш за все варто відзначити колосникову решітку, розташовану у вогневій коробці на рівні топкової рами. Ця решітка служить для підтримки шару палаючого твердого палива, а також, як зрозуміло з назви, забезпечує йому, за рахунок шпар, приплив необхідного для горіння повітря. Через великі розміри (на паровозі серії Л її розміри — 3280x1830 мм), колосникова решітка робиться з окремих елементів — колосників, які розташовані поперечними рядами. На ранніх паровозах колосники були нерухомими, надалі стали будуватися паровози з рухомими (хитними) колосниками, що уможливлюло спростити очищення топки від шлаків і золи. Привод хитних колосників переважно пневматичний. Шлаки і зола з топки зсипаються в розташований під топкою спеціальний бункер — зольник, верхня частина якого охоплює всю колосникову решітку, а нижня, через дефіцит вільного простору, розташовується переважно між боковинами основної рами паровоза. Для пропуску повітря в топку, зольник обладнується спеціальними клапанами, які використовуються також і для очищення бункера від шлаків. До гарнітури топки ще відносять і топкові (шурувальні) дверцята, які закривають шурувальний отвір (що служить для закидання палива в топку), тим самим розділяючи простори топки і будки машиніста. Оскільки і зольник, і решітка забезпечують приплив свіжого повітря у вогневу коробку, засмічення (шлакування) їх повітропроводів і шпар може привести до серйозного падіння потужності котла, тому при використанні антрацитів і низькокалорійних вугіль застосовують шлакозволожувач, що являє собою кілька трубок з отворами, розташованими по периметру колосникової решітки. Періодично через них пропускають пару, яку знижує температуру біля самої решітки, а зіткаючись зі шлаком, робить його більш пористим[7].
Для запобігання небезпечному перегріву котла в разі пониження рівня води в ньому в стелі вогневої коробки встановлюють 2-3 контрольні пробки[en]. Пробка складається із сталевої вставки, залитої легкоплавким сплавом (олов'яно-свинцевим). При пониженні рівня води нижче верхнього торця пробки вона розплавляється і вода і пара з шумом ринуть у топку, сповіщаючи паровозну бригаду про аварію. Отримавши сигнал, машиніст має задіяти інжектори й зупинити горіння в топці для запобігання вибуху котла.
Подвійний чотиридірковий конус постійного перерізу з роздільним випуском. Паровоз RENFE 141 F
Якщо паровоз опалюється нафтою або мазутом (це було поширене на пізніших паровозах), то в топці встановлюють нафтові форсунки і нафтопроводи. Форсунки забезпечують тонке розпилення палива, що необхідно для його повного згоряння. При цьому з топки вилучають колосникову решітку, а замість неї в зольнику і топці встановлюють спеціальне цегляне склепіння (також відоме як обмурування), яке служить додатковим захистом топки від полум'я, що має більш високу температуру (понад 1600°), ніж при вугільному опаленні, а також для раціоналізації процесу горіння — якщо полум'я швидко погасити, то розпечене склепіння допоможе запалити паливо, що надходить після перерви. Однак загальна вага даного склепіння набагато вище, ніж у колосникової решітки, тому перевід паровоза з вугільного на нафтове опалення підвищує загальну вагу паровоза, особливо його задньої частини[7].
Гарнітура димової коробки
Для горіння палива необхідне повітря, причому його потрібно досить багато: на 1 кг вугілля або мазуту потрібно відповідно 10-14 кг або 16-18 кг повітря. Очевидно, що подача такої кількості повітря в камеру згоряння (топку) природним способом практично неможлива, тому мусять вдаватися до створення штучної тяги газів у котлі. Для цього в димовій коробці встановлюють спеціальний димовитяжний пристрій, який забезпечує приплив повітря в топку за рахунок створення розрідження в димовій камері. Паровозні димовитяжні пристрої бувають кількох конструкцій, проте практично всі вони працюють на вже відпрацьованій парі, що надходить з тягової парової машини, що дозволяє змінювати подачу повітря залежно від використовуваної потужності машини, тобто чим більш напружено працює паровоз, тим сильніше горіння і тим більше пари виробляється[7].
Найбільш простим димовитяжним пристроєм є конус, який виглядає як форсунка конусоподібного перерізу, встановлена під димовою трубою. Принцип дії конуса полягає в тому, що пропущена через нього відпрацьована пара набуває високої швидкості (до 250—350 м/с), після чого направляється в димову трубу, де вона, захоплюючи за собою повітря, створює в димовій камері розрідження. Конуси бувають різних конструкцій, в тому числі одно-, дво- і чотиридіркові, змінного і постійного перерізу, із загальним і роздільним випуском. Найбільшого поширення набув чотиридірковий конус змінного перерізу з роздільним випуском, тобто коли пара з правого і лівого циліндрів випускається окремо. Однак незважаючи на простоту конструкції, конус не можна використовувати на паровозах з конденсацією відпрацьованої пари, тому на останніх за димовитяжний пристрій використовується вентилятор (газосос). Привод вентилятора здійснюється від відпрацьованої пари, що також як і при конусі робить регулювання тяги автоматичним. Завдяки своїм перевагам, вентиляторна тяга стала застосовуватися навіть на паровозах без конденсації відпрацьованої пари (наприклад, радянські СОв і сум), однак через низку недоліків (складніша конструкція, ніж у конуса, а отже і вища вартість ремонту, високий протитиск при випуску пари, складність роботи на високих відсічках) у 1950-х рр. вентиляторна тяга була замінена на конусну[7].
Для створення тяги в той час, коли конус не може працювати (на стоянці і при їзді із закритим регулятором) у димовій коробці встановлюється сифон. Він складається з кільця і крана (вентиля) для впускання в кільце пари, спорядженого приводом з будки. Сифонне кільце являє собою зігнуту сталеву трубку з низкою отворів у верхній поверхні, і з'єднується паропроводом з паророзбірною колонкою.
Характеристики котла
Котел характеризується такими параметрами:
загальна площа нагріву в м² — ця площа складається з площ нагріву топки, площі перегрівника, а також площ димогарних і жарових труб;
Парова машина паровоза складається з циліндрів, відлитих як одне ціле з золотниковими коробками, механізму для передачі зусилля на рушійні колеса (кривошипно-шатунний механізм) і паророзподільного механізму. Циліндри парової машини (яких на паровозі буває 2 і більше) відливаються зі сталі і встановлюються на рамі за допомогою болтів, або права і ліва парова машина відлиті разом, як на пізніших паровозах.
У паровозах застосовують такі види парових машин:
машина одноразового розширення пари — проста за конструкцією, має високу надійність і непогану економічність;
машина одноразового розширення пари три- або чотирициліндрова — має більшу потужність, але складна за конструкцією;
машина компаунд — також має велику потужність, але за економічністю себе не виправдала. Має крім складної конструкції проблеми при русі з частими зупинками.
У більшості паровозів використані прості двоциліндрові машини, економічність була підвищена введенням пароперегрівника, а потужність — створенням зчленованих паровозів і підвищенням форсування котла.
Фотографія кулісного і кривошипно-шатунного механізму паровоза
Паророзподільний (зазвичай кулісний) механізм паровоза складається з куліси 1, що хитається на осі і з'єднана своїм нижнім кінцем з пальцем контркривошипа 2, насадженого на ведучому колесі під деяким кутом до кривошипа. Рух від куліси передається за допомогою радіальної тяги 3 верхньому кінцю важеля (маятника) 4; нижній кінець маятника отримує рух від повзуна 5. Рух золотнику 6 передається від проміжної точки маятника. За допомогою кулісного механізму здійснюються (золотником) всі фази паророзподілу, регулювання потужності паровоза шляхом зміни ступеня наповнення (відсічення) пари в циліндр 7 і реверсування — отримання зворотного ходу паровоза за допомогою тяги перевідного вала 8.
У деяких випадках для тимчасового підвищення сили тяги (при рушанні з місця і на підйомах) на паровозах, крім основної парової машини, встановлюють допоміжну (бустер[en]), що передає роботу на підтримувальні осі паровоза або на осі тендера.
Інші елементи машини паровоза:
Сальники — ущільнення, що запобігають витоку пари;
Байпаси — пристрої для перепуску повітря, які розташовувалися на золотниковій коробці. Байпасні канали з'єднують між собою порожнини циліндра по обидва боки поршня, і перекриваються спеціальним клапаном. При нормальній роботі парової машини байпасні клапани закриті, ніяк не впливаючи на систему паророзподілу. При закритому регуляторі (при відсутності подачі пари) і русі накатом, байпасні клапани відкриваються, запобігаючи гальмуванню паровоза при їзді по інерції. Байпасні перепуски в Росії використовувалися тільки на дореволюційних паровозах, надалі їх не встановлювали, замінюючи більш ефективними в роботі розсувними золотниками. Найбільшого поширення на вітчизняних паровозах набула система інженера Трофимова.
Важіль клапана регулятора під паровим ковпаком і його тяга, ліворуч — труба паророзбірної колонки
Відведення відпрацьованої пари
Відпрацьована пара з циліндрів по паровипускних трубах надходить у розташований у димовій коробці форсовий конус, і далі через нього в димову трубу. Потік пари створює додаткову тягу газів у топці. На пізніших паровозах замість випускання пари в атмосферу могла влаштовуватися замкнута система кругообороту теплоносія: з конденсацією відпрацьованої пари в пароконденсаторі і наступним надходженням конденсату в котел (тендер-конденсатор).
Регулятор
Регулятор є найголовнішим органом керування паровозом — за його допомогою регулюється випуск пари з котла в золотникові камери циліндрів парової машини (аналог акселератора двигунів внутрішнього згоряння). Складається з регуляторної труби з головкою на кінці, клапана з важелем, тяги (або вала) і руків'я. Кінець регуляторної труби і регуляторна головка розміщаються в паровому ковпаку біля сухопарника (на пізніших паровозах регулятор стали розміщати за колектором пароперегрівника), тяга (вал) проходять всередині котла або зовні його, руків'я розташоване в будці машиніста. Поворотом руків'я здійснюється відкривання клапана і пара надходить у нижню частину головки, регуляторну трубу і далі в пароперегрівник, а з нього — по паровпускних трубах до циліндрів. Будова клапана забезпечує плавне надходження пари в циліндри, отже, таке ж плавне рушання паровоза з місця[8][9].
Паророзбірна колонка
Паророзбірна колонка
Паророзбірна колонка встановлювалася на пізніших паровозах і з неї проводився відбір пари для інжекторів, машини вуглеподавача, турбогенератора, сифона, водонагрівача, прогрівання, опалення будки тощо. Являє собою пустотілий сталевий виливок з вентилями, встановлений прокладному кільці і прикріплений до фланця на кожусі топки за допомогою шпильок і гайок. Колонка сполучається зі сухопарником спеціальною трубою, прокладеною в котлі, і спорядженою головним запірним вентилем.
Водозаспокійлива колонка
На деяких паровозах використовується і водозаспокійлива колонка, до якої кріпляться крани одного з водомірних стекол і водопробні крани. Її застосування пов'язане з тим, що сполучне безпосередньо з котлом водомірне скло показує завищений рівень внаслідок підйому води від дії циркуляційних труб[ru][10]. Також водомірне скло, закріплене на колонці, зручніше для зчитування показань. На випадок засмічення кранів водомірного скла за контролем рівня води передбачені водопробні крани.
Гальмова система може бути ручною або пневматичною. У ручному гальмі гальмівне зусилля створюється в результаті докладання фізичної сили людини шляхом обертання руків'я, з'єднаного тягами і важелями з гальмовими колодками. Ручна гальмова система використовувалася на ранніх паровозах, і з поширенням автоматичних пневматичних гальм залишилася як допоміжний або резервний засіб гальмування[12].
Пневматичне гальмо забезпечує автоматичне гальмування при всякому розриві або роз'єднанні гальмового повітропровода. У всіх найбільш поширених системах гальм стисненого повітря (Вестінгауза, Казанцева, Матросова та ін.) ця автоматичність досягається шляхом зміни тиску в гальмовому повітропроводі (магістралі), що проходить вздовж поїзда. Підвищення в ньому тиску веде до ослаблення або припинення гальмування, а зниження тиску, навпаки, викликає або підсилює гальмування. Паровоз (а також і гальмовий вагон) має запасні резервуари, де під час заряджання гальма здійснюється накопичення запасу стисненого повітря. Заряджання гальма проводиться через кран машиніста з головного резервуара, де запас стисненого повітря створюється пароповітряним насосом. При падінні тиску в магістралі (яке може бути викликане як відкриттям гальмових кранів, так і розривом магістралі) стиснене повітря надходить у гальмовий циліндр і діє на поршень, який переміщає шток і важіль, притискаючи гальмові колодки до коліс[13][14][15].
Екіпажна, або рамно-ходова, частина паровоза складається з рами, на якій встановлюються котел і циліндри, колісні пари з буксами, ресори з балансирами і візок
Рама — металева несуча конструкція, до якої кріпляться інші частини паровоза.
Передній візок — конструкція, що допомагає паровозу вписуватися в повороти. Наприклад, у паровозах серії С використаний візок Цара-Краусса, що поєднує бігункову і передню рушійну пари коліс. При цьому в момент проходження повороту бігункова вісь повертається, а рушійна пара отримує відповідне бічне зміщення в протилежному напрямку.
На центрах всіх рушійних колісних пар як одне ціле відлиті противаги для врівноваження сил інерції мас, що обертаються ексцентрично (кривошипа, пальців, спарників, а на ведучому колесі, крім того, контркривошипа і частини ведучого шатуна).
Бігункові колісні пари. Бігункових пар зазвичай буває 1 або 2, у деяких паровозах відсутні зовсім (паровози формул 0-Х-Х).
Підтримувальні колісні пари розташовані під будкою або топкою, можуть бути відсутніми (формула Х-Х-0). Паровози з підтримувальними колісними парами краще пристосовані для руху заднім ходом.
Осьові букси — коробки, в яких поміщені вальниці, зазвичай вальниці ковзання, що стикаються з шийками осей. У букси заливається мастило. У вирізах рами прикріплюються буксові напрямні: одна з цих напрямних робиться похилою, а між буксою і напрямною ставиться клин (буксовий), яким можна регулювати зазор.
Ресори — пружні елементи, розташовані між буксами і рамою. Ресори пом'якшують поштовхи і удари, які колісна пара отримує від нерівностей колії і стикових зазорів. Для кращого розподілу навантаження на окремі колісні пари ресори з'єднуються між собою балансирами.
Зчеп — пристрій для з'єднання вагонів і локомотива в состав.
Буфери — елементи, розташовані в місці зчеплення і запобігають різким ударам при з'єднанні вагонів.
Колієочисник — пристрій для скидання з рейок попереду паровоза сторонніх предметів.
У будці перебувають машиністи (паровозна бригада) і зосереджені всі елементи керування паровозом. У будку також виходить задня частина топки з шурувальним отвором для завантаження палива.
Пристрої керування паровозом на лобовому листі кожуха топки
Тендер
Тендер — спеціальний вагон, що причіплювався ззаду до паровоза і в якому розташовувалися запаси води і палива для котла. Найчастіше, тендери мали стандартну конструкцію і використовувалися з декількома серіями паровозів. В окремих паровозах тендер також містив спеціальне обладнання для конденсації відпрацьованої пари (тендер-конденсатори, використовувані на посушливих, погано забезпечених водою територіях) і автоматичний вуглеподавач (стокер). Водяний бак тендера має заправочний отвір з люком, у який при заправлянні вставляється горизонтальна труба паровозної колонки.
Паровий манометр — пристрій для вимірювання тиску пари в котлі.
Пісочниця. Зазвичай встановлювалася нагорі котла. У пісочниці знаходиться спеціально просіяний дрібний сухий річковий пісок, який тиском повітря подається до коліс при рушанні і русі вгору по ухилу і для екстреного гальмування для поліпшення зчеплення між колесами і рейками.
Свисток[en]. На останніх серіях паровозів застосовувалися гармонійні багатотональні п'ятитонові гудки, які в світі вважаються наймилозвучнішими.
↑И. М. Струженцов. Регулятор. Расположение регулятора. Плоский регулятор. Клапанный регулятор. Многоклапанный регулятор. Главный запорный клапан // Конструкции паровозов. — М. : Трансжелдориздат, 1937.
↑Lubrication. Handbook for steam locomotive enginemen. London: British Transport Commission. 1957. с. 126—128. OCLC505163269.
↑Н. Н. Васильев, О. Н. Исаакян, Н. О. Рогинский, Я. Б. Смолянский, В. А. Сокович, Т. С. Хачатуров.Тормоз ручной // Технический железнодорожный словарь. — М. : Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1941.(рос.)
↑Н. Н. Васильев, О. Н. Исаакян, Н. О. Рогинский, Я. Б. Смолянский, В. А. Сокович, Т. С. Хачатуров.Тормоз автоматический // Технический железнодорожный словарь. — М. : Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1941.(рос.)
↑Н. Н. Васильев, О. Н. Исаакян, Н. О. Рогинский, Я. Б. Смолянский, В. А. Сокович, Т. С. Хачатуров.Зарядка тормоза // Технический железнодорожный словарь. — М. : Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1941.(рос.)
↑Н. Н. Васильев, О. Н. Исаакян, Н. О. Рогинский, Я. Б. Смолянский, В. А. Сокович, Т. С. Хачатуров.Главный резервуар (тормозной системы) // Технический железнодорожный словарь. — М. : Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1941.(рос.)
Література
Никольский А. С. Паровозы серии С. — «Виктория», 1997. — 176 с.(рос.)