Паровоз

Паровозный котел

Чтобы понять, как происходит парообразование в локомотиве, надо познакомиться с устройством его котла.

Паровозный котел состоит из четырех главных — частей: 1) топки, 2) тела котла, 3) дымовой коробки и 4) пароперегревателя.

Тело котла имеет вид широкой лежачей круглой трубы или, как говорят, имеет цилиндрическую форму. У паровоза, который работает, котел покрыт для лучшего сохранения тепла кожухом из тонких стальных или железных листов — под этой одеждой бывает иногда для утепления изоляция, слой асбеста или особой кошмы (войлока) — вообще материалов, которые плохо проводят тепло, или же между одеждой котла и его стенками оставляется промежуток воздуха, потому что и сухой воздух плохой проводник тепла. Это сделано для того, чтобы котел меньше терял тепла через свои стенки. Если снять с паровозного котла его окрашенную и покрытую лаком одежду, то мы увидим, что котел склепан из довольно толстых изогнутых листов железа или стали и составлен из трех или четырех барабанов, входящих слегка один в другой. Сзади к котлу приклепана стальная же прямоугольная коробка, открытая снизу; это — топочный кожух. Спереди к котлу приклепан более широкий барабан круглой же дымовой коробки, спереди плотно закрытой на винтах большою круглой дверью. Цилиндрическая часть котла спереди отделена от дымовой коробки круглым дном из солидного листа стали. В нем проделано несколько десятков отверстий, расположенных правильными рядами. В верхних рядах отверстия имеют большие размеры, чем в нижних.

В топочный кожух вставлена коробка той же формы, но меньших размеров. Передняя и задняя стенки коробки плоские, эта коробка делается почти всегда из красной меди, которая лучше чем сталь проводит тепло и труднее разрушается огнем. Внизу между стенками кожуха и топочной коробки вводится прямоугольная брусчатая рама, ее называют обвязочным кольцом. К нему наглухо приклепываются стенки топочного кожуха и топочной коробки. Задние стенки кожуха и топочной коробки прорезаны овальным отверстием, которое также имеет обвязочное кольцо, наглухо приклепанное между стенкой кожуха и топки. Это отверстие служит для забрасывания и помешивания топлива и закрывается толстой железной дверкой, открываемой наружу. Передняя стенка топочной коробки, называемая «топочной решеткой», с такими же отверстиями, как и передняя стенка котла, выходящая в дымовую коробку: расположение отверстий, их величина и число и тут и там совершенно одинаковы, в каждое из них вставлено по трубе. Тонкие трубы называют дымогарными, а более широкие жаровыми; концы труб, выходящие в дымовые коробки, «раскатаны», т.-е. особым инструментом на заводе расширены и плотно придавлены в холодном состоянии к краям отверстий в стенках, чтобы не пропускали воды и пара. Между стенками кожуха и топки вставлены для прочности многочисленные болты, называемые связями.

На верху котла над прорезанным ближе к переднему его концу отверстием приклепан колпак — так называемый сухопарник (рис. 5); внутри его находится паровая труба; она верхним своим концом почти доходит до потолка сухопарника, а внизу его изогнута коленом и через стенку колпака выходит наружу, затем изгибается коленом вниз и проникает в дымовую коробку к перегревателю. Верхнее отверстие паровой трубы закрывается клапаном, который приводится в движение от вала, проведенного из колпака внутри котла в будку машиниста. Здесь к валу присоединена рукоятка. Поворачивая рукоятку от себя и к себе, машинист может открывать и прикрывать клапан паровой трубы в сухопарнике и тем самым впускает через паровую трубу пар котла в машину или прекращает доступ его туда. Все это устройство называется регулятором, потому что при его посредстве машинист регулирует ход паровозной машины, т.-е. управляет ею.

Кроме большого сухопарника есть еще второй малый, ближе к будке машиниста. В стенках котла имеются несколько отверстий, наглухо закрытых во время работы котла крышками, припертыми изнутри на винтах; это — так называемые люки для осмотра и очистки внутренности котла. Кроме того для промывки котла есть еще несколько малых отверстий, закрываемых пробками на винтах. Иногда из люков бывает один такого размера, чтобы в него мог пролезть человек. Это «лаз» для осмотра котла внутри, когда он охлажден и выпущена вода. Наконец, в котельных стенках есть отверстия для труб, подводящих воду, и паровых, а также «патрубки» или «штуцера», к которым прилаживаются разные приборы. В верху дымовой коробки сделано отверстие; над ним поставлена дымовая труба. Внизу топки на обвязочном кольце лежит решетка с продольными сквозными щелями; это — «колосники». Под топкой ниже колосников приклепан «зольник», имеющий две дверцы, открываемые и закрываемые из будки машиниста; это — «поддувало», через них в топку поступает необходимый для горения воздух.

Раньше, чем описывать устройство пароперегревателя, посмотрим, как бы работал паровозный котел без него. Дело в том, что еще недавно паровозы строились без пароперегревателя и работали без перегрева пара. Всякий такой паровоз может быть снабжен после переделок пароперегревателем. И наоборот, пароперегреватель можно вынуть из современного паровоза и после небольших переделок пустить в ход без пароперегревателя.

Посмотрим теперь, как заправляется, т.-е. приготовляется к поездке паровоз. После промывки и закрытия люков и пробок паровозный котел наполняется водою, немного более половины его высоты. Для того, чтобы судить об уровне воды в котле, в передней стенке топочного кожуха сделаны три крана, так же как в тендере, на разной высоте. Кроме того есть и водомерное стекло, похожее на нефтемерное у нефтяного бака. Нижнее колено водомерного стекла проникает в топочную коробку, ниже уровня воды в котле, а верхнее колено — в верхней части над водою, поэтому вода проникает в стеклянную трубку и держится в ней на одном уровне с котлом. Пока мой помощник осматривает и смазывает машину, я затопляю паровоз. Дело это не мое, а относится к обязанностям помощника, но мы на паровозе не считаемся и часто исполняем работу другого, что, впрочем, не снимает с меня ответственности за паровоз; здесь за все отвечаю я, потому что паровоз вверен мне.

Посмотрев на уровень воды в стекле (рис. 6), я проверяю еще его, открывая один вслед за другим и водомерные краны: стекло может-быть засорилось, а уж «краник не обманет». Затопить котел без воды или с малым количеством ее, опасно, потому что не охлаждаемая водою топочная коробка от действия пламени тотчас раскалится, покоробится и растрескается потом. Словом, затопить паровоз без воды — все равно, что поставить без воды самовар. Такие случаи бывают и с паровозами, вот почему я и делаю это всегда сам. Затем я закрываю регулятор и принимаю еще ряд мер, чтобы пар котла не мог войти в машину и привести паровоз в движение помимо нашей воли. Такое нечаянное движение паровоза бывает — и угрожает жизни людей, которые кончают заправку паровоза и возятся около него. Для большей верности я накрепко заторможу тендер паровоза ручным тормозом. Наш паровоз, конечно, оборудован и воздушным тормозом. О нем нам нужно будет сказать подробнее потом.

Но на тендере всегда есть и ручной тормоз. Устройство его очень просто. Я вращаю рукоятку длинного и прямого винта и по его виткам тяну вверх гайку. К гайке приделаны тяги, проведенные под тендером к тормозным колодкам, они и зажимают каждое колесо тендера, не позволяя ему вращаться. Вот, наконец, я могу и затопить мой паровоз. Для этого мне нужно занять пара у его товарища, потому что форсунка работает паром. «Деповский» слесарь подает мне с дежурного паровоза (он всегда готов) тонкую длинную медную трубку; я привинчиваю ее конец к форсунке; слесарь пускает с дежурного паровоза в трубку пар, и я, продув форсунку паром, бросаю в топку комок зажженной промасленной обтирки и открываю нефть. Сейчас же вспыхивает в топке бурное пламя. Так паровозы занимают у своих товарищей пар, подобно тому, как курильщики — огонь. Мы не раз могли бы убедиться в том, что паровозы связаны между собою более товарищеским отношением, чем, например, автомобили: это и понятно — для автомобиля открыты все направления, а паровозы живут бок-о-бок, тесною семьей на стальных рельсах.

Если бы паровоз был на дровяном или угольном отоплении, то для растопки нам понадобилась бы помощь кочегара. Пришлось бы разжигать на колосниковой решетке в топке сначала маленький костер из мелко наколотых дров; когда он разгорится, забрасывать уголь. Это тяжелый физический труд на большом паровозе, и теперь делают на мощных паровозах механические топки, в которые топливо подается из тендера транспортерами, основанными чаще всего на примере бесконечного ремня, бегущего через два шкива. С нефтью дело проще — ни хлопот, ни пыли и прекрасная регулировка пламени при очень высокой теплотворной способности.

Что же теперь происходит в наглухо закрытом паровозном котле? Вода быстро нагревается и испаряется. О том, как бурно протекают испарения воды в котле, можно судить по тому, что в водомерном стекле вода начинает «играть» — подыматься и опускаться — это значит, что и в котле вода колышется. Для пара нет выхода, но топочное пространство наполнено огнем; раскаленные газы, которые получаются при горении топлива, уносятся в жаровые и дымогарные трубы, через них в дымовую коробку, а из нее через трубу в воздух. Горение продолжается, вода в котле и пар (смешанный еще с бывшим тут над водою воздухом) нагревается все сильнее. А так как водяной пар занимает бо́льший объем, чем вода, из которой он образовался, то пар оказывает на стенки котла давление, стремясь расширяться. Машинисты говорят: «пар в котле подымается». О том, каково в котле давление пара, мы судим по манометру (рис. 6), составляющему неотъемлемый прибор котла.

Пар, проникая в манометр через трубочку, давит на устроенную в нем перегородку, мембрану, из тонкого металлического листа, и выгибает ее вверх. Этот выгиб мы могли бы уравновесить, нагружая сверху пластинку гирями. Давление пара и измеряется весом, который приходится на единицу площади, так, если бы пластинка манометра была размером в один квадратный сантиметр, то давление пара мы бы выражали в килограммах на квадратный сантиметр. Понятно, что чем больше изгиб пластинки, тем больше мы ее должны нагрузить, чтобы уравновесить давление пара. Поэтому о величине давления можно судить по изгибу пластинки, но пластинка изгибается еле заметно на-глаз. Чтобы степень изгиба была яснее видна, прибегают к обычному в измерительных приборах способу, заставляя пластинку действовать на стрелку через несколько неравноплечих рычагов, отчего самое малое смещение пластинки становится заметным. Стрелка движется по кругу, на котором обычно ставят цифры, которые отвечают давлению, испытанному пластинкой со стороны пара. Если мы видим на кругу манометра порядок цифр 0, 15, 30, 45,…135, 150 — то манометр указывает давление в английских фунтах на квадратный дюйм, что до сих пор делается и у нас. Во Франции и Германии на манометрах пишут давление в килограммах на квадратный сантиметр. Давление атмосферы на кв. дюйм равно, примерно, 15 фунтам. Поэтому часто давление пара в котле выражают в атмосферах. Давление в 150 фунтов все равно, что давление в 10 атмосфер.

Когда давление в котле достигнет 1¹/₂ атмосфер, я могу питать форсунку собственным паром, выключив трубочку с дежурного паровоза. Теперь давление в котле быстро подымается. И стрелка манометра приближается к красной черте. На циферблате манометра красною чертою обозначается рабочее давление котла, выше которого давление поднимать запрещено. Вы слышали, конечно, о взрывах паровых котлов. Отчего случаются такие несчастия? Дело в том, что прочность котла не беспредельна. Он склепан из отдельных железных или стальных листов толщиною в 14–15 миллиметров и при такой толщине стенок, в зависимости от величины своей, может выдержать определенную наибольшую величину внутреннего давления; если ее превысить, то пар находит «слабину» в котле: чаще всего плохо склепанный и зачеканенный шов или лист с незамеченным на заводе пороком, и прорывает, ища выхода, котел в этом месте.

Каждый котел во избежание такого несчастия испытывается на заводе и в мастерских после капитального ремонта сильным давлением: котел, как мы говорим, «прессуют», накачивая в него воду под двойным давлением сравнительно с тем рабочим давлением, на какое котел рассчитан. При этом следят, чтобы нигде из швов или из-под заклепок не выступила роса. Такие испытания котла повторяются через небольшие сроки — не реже раза в два года, а манометр паровоза проверяется, верно ли он показывает, каждые три месяца. Разница между пробными и рабочими давлениями котла объясняется тем, что горячий котел несколько слабее, а главное — чтобы предотвратить несчастие от преступной небрежности котельной прислуги. Если в котле останется мало воды, то парообразование идет очень бурно, бывает при этом, что некоторые части котла, которые охватывает пламя, совсем обнажатся от воды и сильно раскаляются; если после этого вода зальет сразу раскаленную поверхность, она всей массой в очень короткий промежуток времени превратится в пар, давление сразу «вскакивает», и котел взрывается. Иногда бригада паровоза — машинист и его помощник — прозевают, что манометр на красной черте. Вот почему красная черта на манометре и ставится задолго до того давления, при котором котел может «взлететь», взорвавшись.

Для того же, чтобы давление в паровозном котле не заходило за красную черту, на котле — обычно, на сухопарниках — устанавливаются предохранительные клапаны; по закону их полагается на каждом паровом котле два. (Рис. 7.) Клапаны эти закрывают отверстия в сухопарнике коническими пробками, которые прижаты плотно к месту крепкой пружиной, иногда прямо, а иногда посредством рычага. Мы иногда называем эти приборы «весами», потому что и в самом деле их действие похоже на действие весов: пружина натянута или сдавлена в такой степени, что клапан может быть приподнят давлением или грузом, равным рабочему давлению пара: только иногда весы «качнутся», пробка приподымается, и пар из-под нее вырывается на волю шумною струей. Предохранительные клапаны фырчат так громко, что если мы и зазевались, не видя стрелки у красной черты, то слышим тотчас, что дело неладно. Пар улетает «на волю», и давление в котле от этого понижается, наконец пружина пересиливает и снова затыкает отверстие клапана пробкой. Все кончилось хорошо. Однако, мы не любим, чтобы паровозы парили через предохранительные клапаны: ведь вместе с паром для нас пропадает, улетая, тепло. Поэтому, если вы слышите, что паровозы долго «шипят» через предохранительные клапаны, — это знак недопустимого разгильдяйства бригад. Обычно мы спешим тотчас «унять» клапан. Прижать его мы не имеем права, да и не можем — клапаны пломбируются, чтобы никто не мог изменить предельного давления, ими указываемого. Уменьшение огня в топке сразу не достигнет цели и не всегда возможно, а иногда и вредно. Но у нас есть простое средство умерить пыл котла. Вы, вероятно, замечали, любуясь паровозом, готовым к отправлению поезда, что случается, когда фыркнет и запарит предохранительный клапан. Почти тотчас из-под будки машиниста вырывается облако пара и, пыхнув, пропадает, пролив из большого крана немного воды. И почти тотчас клапан на сухопарнике садится на свое место.

Иногда мне приходилось слышать со стороны зрителей замечания: «Ишь ты, ему не стоится». И в самом деле паровоз, готовый к отправлению, похож в эти минуты на горячего коня, который порывается вперед. Вот мы и охлаждаем пыл нашего стального коня, пуская в ход пароструйный насос (инжектор); пыхнув клубом пара, он гонит в котел холодную воду и в течение минуты пар в котле садится до нормы. Инжекторы служат для пополнения котла водой по мере ее расхода. Их устраивают на каждом паровозе два: закапризничает один, не откажет другой. Инжекторы располагаются или над кожухом топки, или под паровозной будкой по обеим сторонам зольника, так что одним инжектором может распорядиться машинист, другим — его помощник. К инжектору вода идет самотеком из тендера через резиновый рукав. В инжекторе вода увлекается струей пара, приобретая большую скорость движения, при чем сам пар целиком превращается, охлаждаясь, в воду. Вода, подогретая паром, устремляется по питательной трубе в отдаленную от топки часть котла и здесь, преодолевая давление питательного клапана, приподымает его и вливается в котел. Обратите внимание, что вода поступает в котел в отдаленной от топки части. Здесь есть то, что называют «парадоксом», т.-е. видимой нелепостью. Ведь мы знаем из обихода, что хозяйка чугун с холодной водой старается поставить поближе к огню. И казалось бы, надо холодную воду вводить в котел около топки. Но этого делать нельзя. В топочном кожухе очень много связей и заклепок; подвергать их попеременно быстрому охлаждению и нагреванию — значит расшатывать котел, потому что мы знаем, что от нагревания и охлаждения металлы, как и все тела, расширяются и сокращаются. Это соображение из-за устройства котла. Но у нас есть и другие. Техника охлаждения и нагревания определенно остановилась на противотоке, как на лучшем способе передачи тепла. Такой противоток мы видим и в паровозе. Сгорание топлива в топке дает газы очень горячие, они имеют температуру более 1000 градусов; уносясь по жаровым и дымогарным трубам котла, эти газы постепенно отдают свое тепло воде, поступающей в котел около дымовой коробки. В дымовой коробке газы имеют уже температуру около 500–600°. Вода в открытом сосуде, мы знаем, кипит при ста градусах. Стало-быть, порядочное количество тепла, которым мы могли бы воспользоваться для испарения воды, т.-е. для получения пара, у нас улетает даром в трубу. Выгоднее было бы сделать котел подлиннее и начинать нагревание воды в самом дальнем его конце. Новейшие паровые котлы, очень экономные, строятся именно в расчете на использование противотока газовых продуктов горения и воды и получают из нее пар очень горячий. Вообще строители паровых котлов пришли к убеждению, что выгоднее работать паром высоких давлений и очень перегретым. Свойства водяного пара вообще очень меняются в зависимости от давления и степени нагрева, под которым пар находится. Мы различаем пар влажный, сухой и перегретый.

В паровозном котле с рабочим давлением в 13 атмосфер пар в котле образуется при нагреве, примерно, 192°. Можно измерить количество тепла, которое содержит один килограмм такого пара — оно, оказывается, равно 669 калориям. Если мы перегреем этот пар до 400°, то окажется, что килограмм его содержит уже 782 калории, т.-е. количество тепла в нем стало больше и, так как нам известно, что паровая машина работает за счет тепла, заключенного в водяном паре, то ясной становится выгода перегрева. Достичь такого перегрева в 400° можно, так как в нашем паровозе в трубу вылетают газы с нагревом в 600°. Вот жаром этих газов и пользуются для перегрева пара. В нашем паровозе перегреватель русского конструктора Ноткина (рис. 8), тогда как в других паровозах заграничной постройки ставится пароперегреватель системы Шмидта. Паровая труба, идущая из сухопарника, в дымовой коробке нашего паровоза разветвляется в три ряда тонких трубок, вставленных в верхние жаровые трубы котла, — их 24. Каждая из тонких паропроводных трубок проходит во всю длину жаровой трубы почти до топочной решетки и здесь кончается слепым концом, т.-е. закрыта наглухо пробкой. Внутрь этой трубки вставлена другая потоньше трубка, которая открыта у слепого конца первой трубки; сырой пар из регуляторной (паропроводной) трубы поступает в первую широкую трубку и по кольцевому промежутку течет навстречу горячим газам в жаровой трубе и, возвращаясь по внутренней трубке перегретым, входит через сборную коробку в паровую трубу, ведущую пар к машине.

В пароперегревателе, изобретенном немецким слесарем Шмидтом, сырой пар проводится в жаровой трубе по одной тонкой трубке; она проходит по всей длине жаровой трубы четыре раза, делая два колена (поворота) вблизи топки и одно колено около дымовой коробки — тут все трубки, пароперегревателя Шмидта как и в нашем перегревателе, снова сливаются в одну большую трубу, по которой пар идет в машину. Отсюда видно, что пар проходит по каждой трубке, помещенной в жаровой трубе котла, очень длинный путь. Горячие газы, протекающие в жаровой трубе, успевают нагреть пар до 400°, примерно. Как именно разветвляется паровая труба в ряды тонких трубок и потом они собираются в одну, мы не станем говорить, чтобы не удариться в лишние подробности довольно сложного устройства пароперегревателя. Заметим только, что пароперегреватель действует лишь тогда, когда по его трубкам из сухопарника проходит пар, т.-е. машина паровоза работает, и он находится в движении. А машинист, мы знаем, пускает пар из сухопарника, открывая регулятор, и останавливает машину, закрывая пар регулятором же. К регулятору-то и присоединены через особое приспособление заслонки, закрывающие в дымовой коробке жаровые трубы. Если регулятор открыт, то открыты и заслонки. Тогда по жаровым трубам проносятся раскаленные газы, а по трубкам перегревателя течет в машину пар, — перегреваясь сам, он уносит тепло, охлаждает самую трубку перегревателя, не давая ей раскалиться. Если регулятор закрыт, то закрыты и заслонки жаровых труб. И стало-быть нет по ним потока раскаленных газов из топки. Будь иначе, — тонкие трубки перегревателя, не охлажденные теперь током пара, скоро бы накалились, покоробились, а в части, близкой к топке, могли бы и прогореть, испортив все дело. Из этого видно, что пароперегреватель вещь довольно нежная и требует к себе большого внимания. Прежде чем затопить паровоз с пароперегревателем, надо не только поставить регулятор на «закрыто», но еще, открыв спереди большую крышку дымовой коробки, убедиться, что заслонки на жаровых трубах закрыты и «автомат», действующий от регулятора, исправен.

Чтобы можно было следить за работой перегревателя из будки машиниста, на трубе, собирающей пар из отдельных трубок перегревателя, ставится пирометр, т.-е. термометр для высоких степеней нагрева. Циферблат пирометра находится в будке машиниста перед его глазами. На нем написаны градусы от 150 до 400. Мы держим на паровозе «С» перегрев около 320°. Если на ходу паровоза перегрев заходит выше, мы можем прикрыть заслонки на жаровых трубах и не закрывая регулятора, т.-е. не останавливая машины, при помощи ручного привода из будки. Высокий перегрев угрожает не только перегаром трубок, но вреден еще и тем, что очень горячий пар сжигает смазку в машине: в паровом цилиндре и золотниковой коробке, а это может повлечь печальные последствия.

Взор наш теперь естественно обращается к паровой машине паровоза, куда нас приводит поток пара. В нашем паровозе, как и в большинстве паровозов — две паровые машины, расположенные впереди его по сторонам. Машины нашего паровоза совершенно одинаковы, поэтому всё, что мы скажем об одной, будет правильно и о другой. Раньше чем мы подойдем ближе к паровозной машине, окинем еще общим взглядом сделанный нами путь при изучении паровоза. В том, что мы описываем, можно разглядеть везде как бы ряд связанных друг с другом вещей, наших поступков и явлений. Словом «явление» ученые называют все, что совершается в мире и на что среди этих событий устремлено наше внимание. Паровоз так устроен, что в нем правильно повторяется ряд явлений, если мы будем сообразно действовать. Все это вместе взятое образует то, что называют рабочим процессом. Мы с вами изучаем рабочий процесс паровоза. Нам остается узнать действие машины паровоза, — чтобы его рабочий процесс понять от начала до конца.