Паровозы, устройство которых на фоне других технологий сегодня является примитивным, до сих пор применяются в некоторых странах. Они представляют собой автономные локомотивы, использующие в качестве двигателя паровую машину. Самые первые подобные локомотивы появились в XIX веке и сыграли ключевую роль в становлении экономики целого ряда стран.
Устройство паровоза постоянно совершенствовалось, в результате чего появлялись новые конструкции, которые сильно отличались от классической. Так возникли модели с шестернями, турбинами, без тендера.
Принцип работы и устройство паровоза
Несмотря на то, что существуют разные модификации конструкций этого транспорта, все они имеют три основные части:
- паровую машину;
- котел;
- экипаж.
В паровом котле получают пар - именно этот агрегат является первичным источником энергии, а пар - основным рабочим телом. В паровой машине оно преобразуется в возвратно-поступательное механическое движение поршня, которое в свою очередь при помощи кривошипно-шатунного механизма трансформируется во вращательное. Благодаря этому колеса паровоза вращаются. Также пар приводит в движение паровоздушный насос, паротурбогенератор и используется в свистке.
Экипаж машины состоит из ходовой части и рамы и представляет собой передвижное основание. Эти три элемента являются основными в устройстве паровоза. Также к машине может примыкать тендер - вагон, который служит хранилищем угля (топлива) и воды.
Паровой котел
При рассмотрения устройства и принципа работы паровоза начинать нужно с котла, так как это первичный источник энергии и главный компонент данной машины. К этому элементу предъявляются определенные требования: надежность и безопасность. Давление пара в установке может достигать 20 атмосфер и более, что делает его практически взрывчаткой. Нарушение работы какого-либо элемента системы может привести к взрыву, что лишит машину источника энергии.
Также данный элемент должен быть удобным в управлении, ремонте, обслуживании, быть гибким, то есть уметь работать с разным топливом (более или менее мощным).
Топка
Основной элемент котла - топка, где сжигают твердое топливо, которое подается при помощи углеподатчика. Если же машина работает на жидком топливе, то его подают через форсунки. Выделяемые в результате сгорания высокотемпературные газы передают тепло через стенки огненной коробки воде. Затем газы, отдав большую часть тепла на испарение воды и нагрев насыщенного пара, выводятся в атмосферу через дымовую трубу и искрогасительное устройство.
Образованный в котле пар аккумулируется в колпаке-сухопарнике (в верхней части). При достижении давления пара свыше 105 Па, специальный предохранительный клапан его сбрасывает, выпуская избыток в атмосферу.
Горячий пар под давлением подается через трубы к цилиндрам паровой машины, где он давит на поршень и шатунно-кривошипный механизм, приводя ко вращению ведущей оси. Отработанный пар поступает в дымовую трубу, создавая разрежение в дымовой коробке, что увеличивает поступление воздуха в топку котла.
Схема работы
То есть, если описывать принцип работы обобщенно, все кажется исключительно простым. Как выглядит схема устройства паровоза, можно увидеть и на фото, размещенном в статье.
В паровом котле сжигается топливо, которое нагревает воду. Вода преобразовывается в пар, и, по мере нагрева, давление пара в системе увеличивается. Когда оно достигает высокого значения, то его подают в цилиндр, где располагаются поршни.
За счет давления на поршни осуществляется вращение оси, и колеса приводятся в движение. Излишки пара выбрасываются в атмосферу через специальный предохранительный клапан. Кстати, роль последнего исключительно важна, ведь без него котел разорвало бы изнутри. Вот так выглядит устройство котла паровоза.
Преимущества
Как и другие типы обладают определенными достоинствами и недостатками. Плюсы следующие:
- Простота конструкции. Из-за несложного устройства паровой машины паровоза и его котла, наладить производство на машиностроительных и металлургических заводах было несложно.
- Надежность в работе. Упомянутая простота конструкции обеспечивает высокую надежность работы всей системе. Ломаться практически нечему, из-за чего паровозы работают в течение 100 и более лет.
- Мощная тяга при трогании.
- Возможность использования разных видов топлива.
Ранее было такое понятие как "всеядность". Оно применялось к паровозам и определяло возможность использовать древесину, торф, уголь, мазут в качестве топлива для этой машины. Иногда локомотивы отапливали отходами производства: разными опилками, зерновой шелухой, щепой, бракованным зерном, отслужившими смазочными материалами.
Конечно, тяговые возможности машины при этом снижались, однако это в любом случае позволяло экономить солидные средства, так как классический уголь стоит дороже.
Недостатки
Без недостатков тоже не обошлось:
- Низкий КПД. Даже на самых совершенных паровозах КПД составлял 5-9%. Это и логично, учитывая невысокий КПД самой паровой машины (около 20%). Неэффективность сгорания топлива, большие теплопотери при передаче тепла пара от котла к цилиндрам.
- Необходимость в огромных запасах топлива и воды. Особенно актуальной эта проблема становилась при эксплуатации машин в условиях засушливой местности (в пустынях, к примеру), где сложно раздобыть воду. Конечно, немного позже придумали паровозы с конденсацией отработанного пара, однако это не решало проблему полностью, а лишь упрощало ее.
- Пожароопасность, объясняемая открытым огнем сгорающего топлива. Этого недостатка нет на бестопочных паровозах, но дальность их следования ограничена.
- Дым и копоть, выбрасываемая в атмосферу. Серьезной эта проблема становится при движении паровозов в черте населенных пунктов.
- Тяжелые условия для бригады, которая обслуживает машину.
- Трудоемкость ремонта. Если в паровом котле что-то выходит из строя, то ремонт осуществляется долго и требует вложения средств.
Несмотря на недостатки, паровозы очень ценились, так как их использование существенно подняло уровень промышленности в разных странах. Конечно, сегодня применение подобных машин не актуально, в силу наличия более современных двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей. Тем не менее, именно паровозы положили начало созданию железнодорожного транспорта.
В заключение
Теперь вы знаете устройство двигателя паровоза, его особенности, плюсы и минусы эксплуатации. Кстати, сегодня на железнодорожных магистралях слаборазвитых стран (например, на Кубе) эти машины до сих пор применяются. До 1996 года они использовались и в Индии. В европейских странах, США, России этот вид транспорта существует лишь в виде памятников и музейных экспонатов.
Поскольку речь в заголовке идёт о топливе для поездов, а под этот термин, согласно толкового словаря Владимира Даля изначально попали и повозки, запряжённые лошадьми, и следовавшие друг за другом, в частности при свадебной церемонии, представляя собой единый «свадебный поезд». Значение последнего слова происходит от русского слова поездка. В этом случае, топливом для лошадей служил овёс.
С развитием новой техники, у того же В. Даля появились и новые определения слова «поезд». Теперь под данное определение попали все вагоны, которые были сцеплены между собой и представляли уже единый состав, ведомый паровозом. Ефрон и Брокгауз, являвшимися: первый русским, а второй немецкого происхождения, издателями, пошли дальше. Они оговорили ещё одно условие для слова «поезд» - это количественный и качественный состав тяговых единиц в таком составе. Так появились всё те же вагоны, сцепленные между собой, которые обязательно вёл локомотив, поставленный в голове такого «каравана».
Когда гужевой транспорт утратил своё значение, как транспорта междугороднего сообщения и остался только в качестве транспортной единицы в городской черте, то значение слова «поездной состав» люди стали применять уже только к железной дороге.
В дальнейшем значение слова многократно изменялось и дополнялось новыми техническими терминами, включая в определение наличие опознавательных и световых сигналов, перечисляя технические средства, оговаривая условия, которые могли попадать под данное значение.
В последующем времени появились исключения, которые не могли считаться и называться «поездом», начиная с автомобильного транспорта.
Наступление паровозной эры к нам пришло в девятнадцатом столетии и безраздельно «царствовали» на железных дорогах мира до середины двадцатого века, пока не появились в массовом масштабе первые тепловозные локомотивы, а затем и электровозы.
Исходя из названия первых машин паровозов на железной дороге, то работу их двигателя обеспечивал пар, а для его производства было необходимо топливо, и это был знаменитый уголь. Несколько позже, в районах, где шла добыча нефти, использовали для паровозных локомотивов тяжёлое мазутное топливо. Но всё же в масштабе нашей России, на территории Европейских стран и на Американском континенте изначально топливом для паровоза служил только уголь. В лихую годину р6еволюционных дней, а также в период Гражданской войны, в паровозных топках сжигали древесину или торф, иногда в качестве уже совсем экзотического топлива использовалась сушёная рыба. На паровозном локомотиве в качестве хранения угольного топлива служил тендер. В таком вагоне хранились и запасы воды. На локомотивах, у которых отсутствовал подобный тендер, всё своё угольное топливо и воду хранилось на самом паровозе. По этой причине, такая модификация локомотива получила название «паровозного танка».
Твёрдое топливо сгорало в котловой топке. Для обеспечения его сгорания использовалась колосниковая решётка. Отходы в качестве шлака и золы собирались, в так называемом, зольнике, предварительно проходя через сито специальной решётки.
С помощью большого количества жаровых и дымогарных труб происходил теплообмен и осуществлялся нагрев воды в котле, образуя тот самым пар, который направлялся непосредственно в паровую машину, что обеспечить движение локомотива, активизируя кривошипно-шатунный механизм, что в итоге трансформировалось во вращательное движение паровозных колёс.
Следует отметить что инженеры-создатели паровозного чуда шли весьма сложным путём, изобретая свою машину. Изначально, они больше полагались на свою интуицию, чем на конкретные расчёты.
Техника, которая совершенствовалась, могла долго служить людям. В этом случае, инженеры находились на правильном пути, будучи в постоянном творческом и техническом поиске, в том числе и новых видов топлива. Для этих целей, энтузиасты предлагали научится правильно сжигать угольную пыль, что в значительной степени могло увеличить коэффициент полезного топлива используемого древесного угля. При этом топочные объёмы могли не увеличиваться. Но все эти предложения, были лишь теоретическими выкладками, не имея под собой твёрдой практической почвы. В итоге, угольная пыль не стала служить в качестве топлива, поскольку изобретатели так и не добились эксплуатационной надёжности пылеугольных единиц паровозных локомотивов. Обуздать процесс сгорания угольной массы, в том числе и угольной пыли, именно, при высоких температурах в полной мере не удалось. Поэтому от этой разновидности топлива отказались.
После этого началась эра поиска и создания дополнительного оборудования для повышения эффективности используемого угольного топлива. Так появились первые стокеры «Дуплексы», которые обеспечили двухстороннюю подачу твёрдого топлива в топочное жерло. В ССР аналогичное было установлено на паровозных модификациях «ИС» и «ФД».
Американские изобретатели предложили паровозникам, так называемые, механические устройства: «пушеры», которые успешно производили разрыхление смёрзшегося угля непосредственно в тендере. В итоге, уже разрыхлённое топливо посредством транспортёра, подавалось непосредственно на стокер.
В двадцатом веке появились транспортные единицы в виде тепловозов, на которых применялось уже дизельное топливо для силовых установок. Это мог быть непосредственно дизельный двигатель или устанавливалась газовая турбина. Правда, поездной состав вагонов продолжал ещё долгое время отапливаться угольком.
Затем появились первые электровозы, который изначально потребляли в качестве топлива
Электрическую энергию постоянного тока. В последующем, постепенно стали переходить на использование уже переменного тока. Данная разновидность транспортных единиц зарекомендовала себя, как экологически чистый транспорт. Выброс вредных веществ значительно сократился.
Нижегородский музей паровозов - это музей под открытым небом, который находится в поселке Сортировочный, ныне входящем в Нижний Новгород. Что попасть в это музей надо с московского шоссе свернуть сразу после магазина Карусель направо (если едете с московской стороны) и все время ехать по главной дороге до ЖД станции Горький-Сортировочный. Музей располагается прям около станции. Всего в экспозиции музея находится 15 паровозов производства СССР, России, Германии, Швеции.
Паровоз Ь ВН -9773
.
Промышленный паровозы данной серии строились на Невском судостроительном заводе в Петербурге в начале 1900-х годов.
Конструкционная скорость паровоза - 40 км/ч, мощность - 300 л.с., КПД - 4%.
По типу конструкции локомотив относится к танк-паровозам, т.е. паровозам без тендера - запас топлива (нефти) хранится на самом локомотиве. Паровоз обладал седлообразным баком с запасом воды 7м 3 , бак для нефти размещался над водяным баком. Локомотивы этой серии производились для Закавказской, Николаевской и Привислинской железной дороги, также несколько экземпляров было выпущено для внутренних нужд Невского завода.
На и немного поподробнее и побольше фактов про каждый паровоз под катом
Паровоз Э-1112
.
Разработан Луганским паровозостроительным заводом в 1910 году. В дальнейшем паровозы строились на Харьковском, Коломенском, Брянском и Сормовском заводах до 1957 года.
Эта серия паровозов является самой массовой в мире - всего, включая различные модификации, было построено около 11 тысяч локомотивов.
Конструкционная скорость данного паровоза - 55 км/ч. Максимальная мощность - 1500 л.с. КПД - 8%
Паровозы серии Э являлись одними из самых мощных и самых массовых паровозов созданных в начале XX века. Проект грузового паровоза, пройдя комиссию, в феврале 1911 года поступил на рассмотрение Инженерного совета министерства путей сообщения. В последствии, 29 октября 1911 года был утвержден рабочий проект паровоза и, начиная с 1912 года, было налажено их серийное производство.
Паровоз Э М 720-07
.
Модернизированная серия Э, строившаяся в 1931-1935 гг Луганским, Харьковским, Брянским и Сормовским заводами. Всего произведено 2694 локомотива.
Для увеличения силы тяги было повышено давление пара в котле с одновременным повышением прочности котла и усилением некоторых частей движущего механизма.
Конструкционная скорость паровоза - 65 км/ч. Максимальная мощность - 1800 л.с. КПД - 7%.
Локомотив отличался увеличенной силой тяги за счет увеличения давления пара в котле, для чего потребовалось усиление швов котла и некоторых частей движущего механизма. Как следствие, доработки повлекли за собой увеличение общей массы, из-за чего пришлось вносить ряд конструктивных изменений. Локомотивы стали строить без водоочистителя и питательного колпака, а также с меньшим количеством дымогарных труб (151 против 157 у паровозов серии Э у). Но активное использование сварки в паровозостроении позволило уменьшить вес паровоза с 85 до 75 тонн и вернуть на место изъятые агрегаты.
Паровоз Э Р 761-96
.
Серия Э М, реконструированная. За счет удлиннения топки мощность локомотива увеличена на 10%.
Паровозы этой серии строились отечественными заводами в 1930-х годах и в годы Великой Отечественной, а после войны производство было налажено в Румынии (завод Решица), Польше (завод Цегельского), Чехословакии (завод ЧКД) и Венгрии (завод МАВАГ). Музейный экспонат родом из Румынии о чем свидетельствует его заводская табличка. Последний паровоз серии был изготовлен в 1956 году на венгерском заводе МАВАГ. Также, небольшое количество паровозов этой серии было выпущено во время Великой Отечественной Войны Коломенским машиностроительным заводом.
Конструкционная скорость паровоза - 65 км/ч. Максимальная мощность - 2000 л.с. КПД - 7,2%.
Паровоз ТЭ-622
.
Название серии ТЭ расшифровывается как трофейные, аналогичные по характеристикам отечественной серии Э.
Паровозы под оригинальным именем BR52 производились в фашистской Германии и оккупированных ею странах Европы. Всего было построено свыше 6 тысяч локомотивов, 2200 из них поступили на железные дороги СССР как трофеи или в счет репараций.
На железных дорогах западной части СССР паровозы ТЭ активно эксплуатировались вплоть до середины 1970-х годов, после чего большая часть была передана промышленным предприятиям. Во время эксплуатации в СССР паровозы серии ТЭ вызывали у советских железнодорожников весьма положительные отзывы. В качестве основного недостатка отмечалось падение мощности при использовании низкосортного отечественного угля. В обиходе паровозы серии ТЭ называли "Тэшками" или "Фрау".
Конструкционная скорость паровоза - 80 км/ч. Максимальная мощность - 1500 л.с. КПД - 7,5%
Паровоз ТЭ-622.
Деталь
Паровоз ТЭ-622.
Деталь
Локомотивы серии П36, наверное самые красивые, среди отечественных паровозов. Данная серия была сопоставима с паровозами серии ИС, но имели меньшую нагрузку от осей на рельсы (18тс), благодаря чему было возможно использовать эти локомотивы на большинстве железных дорог страны. Успешные испытания и опытная эксплуатация первого паровоза типа 2-4-2 обусловили заказ опытной партии в 1953 году на Коломенском машиностроительном заводе.
Эксплуатационные испытания паровозов проходили на Московско-Курской и Красноярской железных дорогах. Во второй половине 1954 году Коломенский завод выпустил установочную партию паровозов включивших в себя небольшие конструктивные доработки по сравнению с опытными образцами. В конце 1954 года паровоз серии П36 был принят к серийному производству. Паровозы этой серии направлялись для работы с дальними пассажирскими поездами на главные линии Красноярской, Калининской, Белорусской, Сталинской, Октябрьской, Куйбышевской и Северной железных дорог. С начала 70-х годов эти паровозы постепенно стали заменяться электровозами и тепловозами. 1974г считается последним годом работы паровозов серии П36.
Паровоз П36-0071
.
Пассажирский паровоз разработки и производства Коломенского завода (251 локомотив, 1950-1956 гг).
Последний паровоз этой серии стал одновременно последним паровозом, построенным в СССР. Сейчас он находится в музее Санкт-Петербурга.
Дольше всех паровозы этой серии проработали на Забайкальской железной дороге. Здесь они были выведены из эксплуатации в 1974 году.
Конструкционная скорость - 125 км/ч. Максимальная мощность - 3000 л.с. КПД - 8,2%.
Некоторые паровозы сильно исписаны, что неудивительно, так как музей открыт круглосуточно и ни кем не охраняется
Паровоз Э У 684-52
.
Усиленный ("У") вариант серии Э, производившийся с 1926 по 1931 гг Коломенским, Луганским, Харьковским, Брянским и Сормовским заводами. Всего построено 2475 паровозов.
Конструкционная скорость паровоза - 65 км/ч. Максимальная мощность - 1500 л.с. КПД - 7%
Паровозы в ряд
Паровоз 9П-18430
.
Еще один массовый маневровый и промышленный танк-паровоз. Строился уже в СССР с 1935 по 1957 годы. Всего произведено свыше 3 тысяч машин.
Конструкционная скорость данного паровоза - 25 км/ч. Максимальная мощность - 320 л.с.
По состоянию на 2007 год в музеях или в качестве паровозов-памятников сохранилось 34 паровоза данной серии. 
Паровозы серии 9П улучшенной конструкции выпускались Коломенским заводом с 1939 по 1941г. и Муромским паровозостроительным заводом им. Ф.Э.Дзержинского с 1945 по 1955г. Паровозы работали на путях многих производственных предприятия страны и хорошо себя зарекомендовали.
Маневровый танк-паровоз этой серии сразу был принят к серийному производству не смотря на ряд недостатков.
Позже, в 1939 году, когда в программу Коломенского машиностроительного завода вновь было включено строительство этих паровозов, конструкторы завода пересмотрели чертежи устранив недостатки.
Для уменьшения давления на рельсы, в 1948 году было принято решение разработать на базе серии Л. После длительных испытаний, в 1952 году первый паровоз, разработанный на Ворошиловградском паровозостроительном заводе им.Октябрьской революции, получив обозначение ОР18-01 поступил на железную дорогу. Несмотря на схожие с серией Л параметры агрегатов серия ОР представляла собой новый, более современный тип локомотива с существенными конструктивными отличиями ряда узлов и своими тягово-теплотехническими характеристиками. На паровозе был установлен другой водоподогреватель, а колесные пары были усилены. Во время испытания паровоз показал увеличение мощности на 24% по сравнению с паровозами серии Л. В течении 1953 года паровоз ОР18-01 проходил эксплуатационные испытания на участке Люблино-Серпухов Московско-Курско-Донбасской железной дороги. В 1954 году Ворошиловградский завод построил установочную партию из 5 машин (номера 0005-0010) в процессе создания которой серия получила новое обозначение ЛВ – Паровоз построенный на основе серии Л по чертежам Ворошиловградского завода.
Паровоз ЛВ-0225
.
Грузовой паровоз производства Ворошиловградского завода на базе серии Л. Строились с 1952 по 1956 год. Всего 522 локомотива.
Выпускавшийся в Китае до середины 1990-х годов паровоз серии QJ имел много общего с советскими ЛВ.
Конструкционная скорость - 90 км/ч. Максимальная мощность - 2420 л.с. КПД - 8%.
После русско-японской войны, с целью улучшения работы железных дорог, было решено поднять скорость и вес пассажирских поездов. В следствии повышения цен на нефть, многие дороги были вынуждены переводить пассажирские паровозы на угольное отопление, зачастую используя уголь низкого качества. В 1908 году конструкторами Сормовского завода было выдвинуто предложение о создании паровоза с угольным отоплением, который бы отвечал требованиям того времени. Так как Сормовский завод не имел опыта проектировки и постройки собственных локомотивов, на изыскания ушло довольно много времени. В конце-концов был выбран и в 1911 году изготовлен первый образец серии С.
За основу был взят паровоз серии С в типа 1-3-1 как наиболее полно отвечающего производственным возможностям заводов. При проектировании нового локомотива в конструкцию было внесено ряд изменений по сравнению с паровозом серии С в. Была увеличена топка и длина дымовой коробки, возросло число жаровых труб (с 24 до 32) при одновременном уменьшении дымогарных (со 170 до 135), установлен новый перегреватель системы Чусова, также было увеличено давление в котле и изменена система подвески рессоры. Новому паровозу типа 1-3-1, разработанному на Коломенском машиностроительном заводе была присвоена серия С у – “усиленный”. Первые паровозы этой серии были построены в 1924 году, но началом их выпуска считают 1925г.
Завод “Красное Сормово” им. А.А.Жданова получил задание приступить к строительству пассажирских паровозов. Было решено возобновить постройку паровозов 1-3-1 серии С у, показавших хорошие качества в эксплуатации. В 1947 году завод выпустил первый паровоз серия С у. Основным различием нового выпуска, по сравнению с серией довоенной постройки стало сокращение дымогарных труб со 135 до 98 при одновременном увеличении жаровых труб с 32 до 40. Колесная база и размеры отдельных деталей остались без изменений. В процессе выпуска серия С у завод вносил небольшие изменения в конструкцию паровоза.
Паровоз С У 253-33 . Пассажирские паровозы серии С У производились в СССР с 1924 по 1940 гг. Проект паровоза разработан Ленинградским заводом "Красный путиловец".Музейный паровоз построен непосредственно в городе Горьком (раньше так назывался Нижний Новгород) заводом "Красное Сормово", выпускавшим такие локомотивы с 1947 по 1951 гг (всего 411 паровозов).
Конструкционная скорость - 115 км/ч. Максимальная мощность - 1500 л.с. КПД - 7,8%. Паровоз пассажирский, поэтому акцент сделан на скорость, а не на силу тяги и сцепной вес
Реальный размер колес
Паровоз Э Н -1 . Модификация серии Э, выпускавшаяся Невском судостроительным заводом Петрограда с 1916 по 1920 гг. Всего построено 63 паровоза.
Во время войны 1914-1918гг. и в послевоенный период состояние металлургической промышленности резко ухудшилось, а после 1917 года вообще стало крайне плачевным. Ввиду отсутствие металла для ремонта существующих паровозов и невозможность увеличения локомотивного парка, к 1920 году руководство страны принято решение заказать большую партию грузовых паровозов за рубежом. Изначально планировалось заказать 1000 паровозов в Швеции, часть из которых должна была быть выполнена на базе шведских паровозов серии R, а другие по типу, более соответствующему эксплуатационным условиям отечественных железных дорог. Но в итоге решили заказать паровозы серии Э по чертежам Луганского завода.
В Швеции заказали 500 локомотивов, и, одновременно, в Германии еще было заказано 700 локомотивов. Первые паровозы были построены в точной соответствии с чертежами Луганского завода, но позже начали вноситься небольшие изменения, с учетом накопленного опыта и особенностей эксплуатации.
На колесах одного из паровозов - эмблема Ворошиловградского завода
Фирменная табличка паровоза. Сделан в 1949-м на румынском заводе "Решица"
На у по действующим путям промчалась какая то странная электричка в один вагон - пустили такси?
Использованные материалы:
- Книга В.А.Раков “Локомотивы отечественных железных дорог, 1845-1955″
- Книга А.В.Хмелевский, П.И.Смушков “Паровоз. Устройство, работа, ремонт.”
Коэффициент полезного действия (КПД) паровоза - величина, с помощью которой можно оценить эффективность использования в паровозе тепла, полученного в результате сжигания топлива. КПД паровоза - это отношение тепла, затраченного на работу по перемещению паровоза к максимальному количеству тепла, которое это топливо может выработать.
Первые паровозы появились в Великобритании в начале XIX столетия. Их коэффициент полезного действия был очень низок. С течением времени паровозы совершенствовались, но на коэффициент это практически не влияло. Максимальный КПД самых совершенных паровозов, выпускавшихся в начале XX века, не превышал 6-8%, средний - 4%. Модернизация паровозов этот вопрос практически не решала - их КПД почти не превышал 7%.
Настоящим прорывом в решении данного вопроса стало применение перегретого пара. Это позволило увеличить мощность и скорость. Произошло это в начале XX века. Однако, использование перегретого пара позволило увеличить мощность более, чем в 100 раз, скорость - в 15 раз, а КПД - только в 2 раза.
Так почему же так сложно повысить коэффициент полезного действия паровоза? Много своих работ изучению этого вопроса посвятил академик С. П. Сыромятников. Он связывал увеличение коэффициента с уменьшением массы парового котла и установкой различных устройств для повышения мощности и экономичности. Сыромятников считал, что передняя часть труб внутри парового котла вырабатывает не более 15% от общего количества пара. По проекту академика был создан паровоз с изменениями в паровом котле: укороченной передней трубной частью и установленным в специальной камере выносным перекрестночным пароперегревателем. Кроме того, по мнению Сыромятникова, увеличению КПД должно было способствовать сжигание угля в измельченном виде. Однако, в связи с этим появлялась проблема - загрязнение задней трубной решетки шлаком и золой. Для решения этой проблемы было предложено увеличить объем топки за счет отказа от зольника. Угольная пыль должна была сгорать в месте нахождения зольника, а не перед трубной решеткой.
Проблема низкого коэффициента полезного действия паровоза связана с тем, что пар, покидая машину, уносит с собой значительную часть полученной тепловой энергии. Температура уходящего пара составляет 120-180 градусов, давление - около 1,5 атмосфер. Теплосодержание этого пара равно примерно 650 килокалорий. Это довольно значительная потеря, которая составляет около 40%. Кроме этой, существуют еще другие потери: от неполного расширения пара, утечка его через неплотности, противодавление на нерабочую сторону поршня. Все эти потери значительно снижают КПД паровоза. К ним еще добавляется потери на преодоление сил трения при движении. Поэтому КПД паровоза в процентах не превышает 12-14.
Подводя итог, можно сказать, что низкий КПД паровоза связан со значительной потерей энергии из-за выброса пара и невозможностью использовать эту энергию из-за движения. В стационарных же установках такая энергия используется, например, на отопление или горячее водоснабжение.
Технико-экономическое сравнение локомотивов
При технико - экономическом сравнении локомотивов следует прежде всего удилить внимание КПД локомотива.
КПД - это соотношение энергии потраченной на перевозку груза к полученной энергии. Как правило сравниваются локомотивы по роду потребляемой энергии (т.е. прежде всего яркие представители - паровозы, тепловозы и электровозы между собой).
При рассмотрении КПД паровозов следует отметить достаточно сложный механизм получения механической энергии. Данный механизм состоит из нескольких этапов:
Горение топлива - выделение тепловой энергии (топка паровоза)
Нагрев воды и получение пара (котел паровоза)
Преобразование давления пара во вращательное движение колес (2-х ступенчатая паровая машина с кулисным механизмом)
Каждый из рассмотренных этапов имеет достаточно низкий КПД, особенно первые два (т.к. для повышения КПД парового котла необходимо поднять давление пара и его температуру, что опасно делать в ограниченном пространстве без применения средств защиты). Суммарный КПД паровоза составляет 5 - 12%.
КПД тепловоза составляет 15-25% (без учета нахождения в ремонте). Достаточно низкое КПД тепловоза обьясняется наличием силовой установки с низким КПД - дизелем. КПД дизеля составляет около 35-40 %, но учитывая что мощность у дизеля отбирается неравномерно (только в режиме тяги (разгон), а в остальное время дизель работает в холостую), то общий КПД тепловоза снижается до указанных цифр
КПД электровоза составляет примерно 85-88%. Данные показатели приводятся в технической литературе, как КПД непосредственно электровоза, но они не учитываю всю систему получения электроэнергии:
КПД установок по выработке электроэнергии
Потери при добыче и переработки топлива
КПД установок по преобразованию электроэнергии и доставке ее потребителю т.д.
В результате общий КПД электровозов с учетом получения электроэнергии составит 20-30%, что сравнимо с КПД тепловоза
Loading...