Составной локомотив — это паровоз , приводимый в движение составным двигателем , типом паровой машины , в которой пар расширяется в две или более ступеней. [1] [2] Локомотив был лишь одним из применений рецептуры. Например, на кораблях использовались две и три ступени. [3]
Компаундирование стало популярным для железнодорожных локомотивов с начала 1880-х годов, а к 1890-м годам стало обычным явлением. Большое количество автомобилей, в основном двух- и четырехцилиндровых, было построено во Франции, Германии, Австрии, Венгрии и США. Его популярность упала из-за проблем с обслуживанием, а также потому, что перегрев обеспечивал аналогичную эффективность при меньших затратах. Тем не менее, составные Маллеты строились Норфолкской и Западной железной дорогой вплоть до 1952 года.
В обычной конструкции составного двигателя пар сначала расширяется в одном или двух цилиндрах высокого давления (ВД) , затем, отдав часть тепла и потеряв некоторое давление, выбрасывается в цилиндр низкого давления ( НД) большего объема. , (или два, - или более), тем самым продлевая часть расширения термодинамического цикла . Можно сказать, что цилиндры работают «последовательно», в отличие от обычного расположения локомотива простого расширения , где они работают «параллельно». Чтобы сбалансировать тягу поршня компаунда, необходимо тщательно определить соотношение объемов цилиндра ВД: НД, обычно путем увеличения диаметра цилиндра НД и/или удлинения хода поршня. В неконденсирующих двигателях соотношение объемов ВД:НД обычно составляет 1:2¼. На локомотивах с редуктором объемы цилиндров можно поддерживать более или менее одинаковыми за счет увеличения скорости поршня низкого давления. Соединение может относиться к любому двигателю многократного расширения. [4] Дополнительную информацию дают термины «двойной», «тройной», «четверной». Экспериментальный локомотив тройного расширения, получивший название LFLoree, был построен Американской локомотивной компанией и компанией Delaware & Hudson Railroad в 1933 году. [5] [6]
Основными преимуществами, которые получают от компаундирования, являются снижение расхода топлива и воды, а также более высокое соотношение мощности и веса из-за большего расширения цилиндра перед открытием выпускного клапана, что обеспечивает более высокий КПД; Дополнительные преимущества включают более равномерный крутящий момент и, во многих случаях, превосходные ходовые качества с последующим меньшим износом гусеницы и ходовой части. Там, где сочетались тяжелые сорта и низкие нагрузки на ось, составной локомотив часто считался наиболее жизнеспособным решением. Успешное проектирование составного локомотива требует четкого понимания термо- и гидродинамики; именно то, что часто этого не происходило, является причиной того, что многие постановки в прошлом были далеки от оптимальных. Особенно это касается локомотивов, построенных в первые годы 20 века. Проблема не только затрагивала соединения, но и была серьезной в их случае из-за длительного парового цикла, который делал их особенно чувствительными к перепаду температуры и конденсации пара во время его длительного прохождения. Восстанавливая старые локомотивы, начиная с 1929 года, Шапелон смог недорого добиться того, что казалось почти «волшебным» улучшением мощности и экономичности за счет улучшения потока через паровой контур, в то же время установив пароперегреватель большего размера для увеличения начальной температуры пара и задержки. Конденсат в цилиндрах НД.
Чтобы предотвратить серьезную конденсацию, компания LNER применила дополнительный перегрев своего водотрубного котла № 10 000, чтобы компенсировать недостаточный перегрев ВД. [7] Железная дорога Париж-Орлеан спроектировала локомотив-демонстратор 2-12-0 , № 160-А1 (испытанный в 1948-51 гг.), С перегревом между ступенями ВД и НД. Они также установили паровые рубашки на оба цилиндра ВД/НД, что, по мнению Чапелона [7], было первым случаем для составного локомотива. Перегрев также был осуществлен Портой на его перестроенном прототипе 4-8-0 : «La Argentina» (испытанный примерно в то же время в Аргентине). Сторонники простого расширения утверждают, что использование раннего отключения в цилиндре, тем самым расширяя небольшие количества пара при каждом ходе поршня, устраняет необходимость в усложнении и первоначальных затратах на компаундирование, а также на однократное расширение нескольких цилиндров - это постоянные споры.
Существует много конфигураций, но можно определить два основных типа, в зависимости от того, как фазированы ходы поршней ВД и НД и, следовательно, может ли выхлоп ВД проходить непосредственно от ВД к НД (соединения Вульфа) или же колебания давления требуют промежуточного режима. Буферное» пространство в виде паровой камеры или трубы, называемое ресивером ( приемник соединения).
Начинается вечная проблема с компаундами: чтобы все цилиндры приняли свой вес, желательно иметь какой-то способ короткого замыкания цилиндров ВД и подачи пара пониженного давления непосредственно в цилиндры НД; следовательно, многие из запатентованных систем соединений связаны с конкретными стартовыми механизмами. 4-цилиндровая система de Glehn, вероятно, по-прежнему остается самой сложной из всех, с независимым отсечкой высокого и низкого давления и поворотным клапаном, называемым фонарем, позволяющим независимую работу или комбинации групп высокого и низкого давления. В большинстве других систем используются пусковые клапаны различных типов. Другим критерием является то, являются ли клапанные механизмы двух групп полностью независимыми или каким-либо образом связаны друг с другом.
Они могут быть расположены в шахматном порядке с приводом на более чем одну ось, в линию, сосредоточенную на одной оси, или в тандеме с приводом высокого и низкого давления на общий кривошип. Последняя система широко применялась в США в первые годы 20-го века, особенно на Санта Фе.
Джонатан Хорнблауэр , внук одного из конструкторов двигателей Ньюкомена в Корнуолле, запатентовал двухцилиндровый составной двигатель с возвратно-поступательной балкой в 1781 году. Джеймс Уотт помешал ему развивать его дальше , заявив, что его собственные патенты были нарушены. [10]
Метод уменьшения величины постоянного нагрева и охлаждения паровой машины одинарного расширения, который приводит к неэффективности, был изобретен в 1804 году британским инженером Артуром Вульфом . Вульф запатентовал свой стационарный составной двигатель высокого давления Вульфа в 1805 году.
Первая зарегистрированная конструкция составного железнодорожного локомотива принадлежит Томасу Крэддоку, который запатентовал конструкцию конденсационного составного локомотива в 1846 году. [11] : 9–10.
В 1850 году патент Соединенного Королевства номер 13029 был выдан Джеймсу Сэмюэлю , инженеру железной дороги восточных графств , на «локомотив непрерывного расширения», метод компаундирования паровозов, хотя идея, похоже, исходила от некоего Джона Николсона, машиниста. на линии. В этой системе два цилиндра чередовали высокое и низкое давление, при этом переключение происходило в середине каждого такта. Два локомотива, один пассажирский и один грузовой, были преобразованы в эту систему, но дальнейших примеров не последовало. [12]
Вопрос о том, является ли вышеупомянутый локомотив, строго говоря, составным, является предметом споров: первое известное применение составного состава в локомотиве было на поезде № 122 компании Erie Railway, обычном американском типе, оснащенном в 1867 году тандемными составными цилиндрами в соответствии с патентом Дж. Ф. Лэя №. 70341. [13] О дальнейшей карьере этого локомотива ничего не известно, и, похоже, он не воспроизводился.
Самая простая форма составного локомотива имеет два цилиндра: цилиндр высокого давления с одной стороны и цилиндр низкого давления с другой стороны; название отражает поток пара от ВД к НД через локомотив. Самые ранние попытки создания составных локомотивов представляли собой вариации конструкции перекрестных составов, некоторые из них наиболее примечательны из них, предложенных Бакстером (1870 г.) и Хадсоном (1873 г.). [11] : 12 Другой был Анатоль Малле , который представил в 1876 году серию небольших двухцилиндровых составных локомотивов-цистерн 0-4-2 для железной дороги Байонна-Англет-Биарриц. Они были полностью успешными и работали в течение многих лет.
У локомотивов с перекрестным соединением есть фундаментальная проблема конструкции: если цилиндр ВД остановлен «в центре», локомотив не сможет запуститься. Чтобы решить эту проблему, все практические локомотивы с перекрестным соединением имеют пусковой клапан той или иной формы, который позволяет подавать пар высокого давления в цилиндр низкого давления при запуске. В некоторых случаях это осуществляется вручную машинистом локомотива, а в других случаях - автоматически; в последнем случае клапан часто называют «перехватывающим клапаном». Основное различие между различными формами локомотивов с перекрестным соединением заключается в конструкции и работе перехватывающего клапана.
Вторая проблема конструкции локомотивов с перекрестным соединением заключается в том, что, если двигатель работает на коротком отключении, пар полностью расширяется в цилиндре ВД и не совершает работы в цилиндре НД, что вызывает неравные нагрузки в двигателе. Этой проблемы можно избежать, если двигатель имеет 3 или 4 цилиндра, что послужило основой для разработки следующих типов.
Маллет также разработал схемы соединений с независимым разделенным приводом для ВД и НД, некоторые с единым жестким шасси, которые так и не были построены, другие с жестким задним шасси, на котором устанавливались цилиндры ВД, и шарнирно-сочлененным передним агрегатом двигателя НД. Последняя договоренность была принята во всем мире. Первой заявкой стала серия локомотивов колеи 600 мм, специально построенная компанией Decauville для Парижской выставки 1889 года; эта конструкция была представлена на железных дорогах Северной Америки в 1900 году под номером B&O № 2400 и быстро стала там популярной. Практика США перешла к «простому молотку», в котором использовалось то же шарнирное устройство, но без соединения. Как простые, так и составные локомотивы «Малле» прослужили до конца пара.
Вышеупомянутые схемы Маллета с жесткой колесной базой и разделенным приводом, хотя и никогда не применялись на самом деле, возможно, вдохновили Фрэнсиса Уэбба в Великобритании. После испытаний старого одномоторного автомобиля, преобразованного в двухцилиндровый в 1878 году, он представил в 1882 году свой первый экспериментальный класс с аналогичным раздельным приводом : трехцилиндровые агрегаты с несвязанными ведущими колесами, в которых работали два небольших внешних цилиндра высокого давления. в один большой низкого давления между шпангоутами. Затем последовали другие аналогичные классы, постепенно расширявшиеся. Отсоединенные ведущие колеса были проблематичными, поскольку две пары колес могли вращаться в противоположных направлениях при запуске, если локомотив ранее въехал в свой поезд задним ходом. Похоже, что такое расположение было принято из-за нехватки места, но Таплин указал [ где? ] что, если бы был установлен клапанный механизм Вальшерта , ведущие колеса могли бы быть соединены обычным способом.
Колесные формулы различались: 2-2-2-0, 2-2-2-2, 2-2-2-2Т, 2-2-4-0Т и 0-8-0; последними были грузовые локомотивы и единственные этого типа, у которых все колеса были сцеплены. Следующий этап Уэбба состоял из двух классов 4-цилиндровых соединений 4-4-0, одного типа 4-6-0 и, наконец, большего количества 0-8-0. Последние считаются наиболее успешными соединениями Уэбба, и некоторые из них сохранились в своем первоначальном виде. состояние до 1920-х годов.
В 1889 году Сэмюэл М. Воклен из Baldwin Locomotive Works изобрел составной локомотив Vauclain. В этой конструкции использовался двигатель двойного расширения, установленный в пространстве, занимаемом обычным двигателем одинарного расширения на локомотиве, с использованием однопоршневого клапана с обычной передачей для управления цилиндрами как высокого, так и низкого давления. Цилиндр высокого давления мог располагаться над или под цилиндром низкого давления, каждый имел свой поршневой шток, соединенный с общей траверсой, так что для каждой пары цилиндров требовался один шатун и кривошип. [14] Была достигнута существенная экономия топлива, но трудности с обслуживанием обрекли этот тип. Большинство из них были переоборудованы на обычные двигатели.
.jpg/1280px-Vauclain_tandem_compound_cylinders,_Atchison_Topeka_&_Santa_Fe_Railroad_(Howden,_Boys'_Book_of_Locomotives,_1907).jpg)
Тандемное соединение впервые появилось на железной дороге Эри в 1867 году. Как и соединение Воклена, тандемное соединение имеет каждую пару цилиндров высокого и низкого давления, приводящих в движение общую траверсу, шатун и кривошип; но в отличие от соединения Vauclain цилиндры установлены спереди и сзади друг от друга. Задняя стенка переднего цилиндра обычно является передней стенкой заднего цилиндра. Шток поршня заднего цилиндра соединен с крейцкопфом обычным способом, но шток поршня переднего цилиндра может иметь одну или две формы: либо шток поршня заднего цилиндра выдвигается вперед, чтобы также нести передний поршень; или если передний цилиндр представляет собой цилиндр низкого давления (и, следовательно, больше в диаметре, чем задний цилиндр высокого давления), он может иметь два длинных поршневых штока, которые проходят выше и ниже или по обе стороны от цилиндра высокого давления. чтобы достичь общей траверсы. [15]
В Великобритании существовало три соединения-тандема. Первое было нет. 224 Северной Британской железной дороги , построенный в 1871 году как локомотив простого расширения 4-4-0 и являющийся пионером класса 224 ; в 1885 году он был преобразован в тандемный состав, но в 1887 году снова стал простым. В составном соединении цилиндры высокого давления имели диаметр 13 дюймов (330 мм) и располагались перед цилиндрами низкого давления, которые составляли 20 дюймов (20 дюймов). 510 мм) диаметр; обычный ход составлял 24 дюйма (610 мм). Двое других были 2-4-0 на Great Western Railway (GWR) – нет. 7 , построенный в феврале 1886 года для стандартной колеи и нет. 8 построен в мае 1886 года для широкой колеи. № 7 имел цилиндры высокого давления диаметром 15 дюймов (380 мм), низкого давления - 23 дюйма (580 мм). Цилиндры нет. 8 были немного меньше: 14 дюймов (360 мм) высокого давления, 22 дюйма (560 мм) низкого давления. В обоих локомотивах GWR цилиндры низкого давления располагались спереди, а ход поршня составлял 21 дюйм (530 мм). № 7 прекратила работу в 1887 г., была разобрана в 1890 г.; нет. 8 так и не поступил на регулярную службу и вышел из строя на испытаниях - он был частично разобран в 1892 году. Оба локомотива были обновлены в 1894 году как стандартные колеи простого расширения 4-4-0. [16] [17] [18]
Тандемные составные локомотивы были очень распространены в Соединенных Штатах до Первой мировой войны, при этом на некоторых железных дорогах, таких как Санта-Фе, было большое количество локомотивов с несколькими колесными формулами. Характерной особенностью более крупных составных тандемных локомотивов был кран «А-образной рамы», установленный с каждой стороны дымовой камеры, чтобы можно было снять передний цилиндр (обычно цилиндр низкого давления), когда задний цилиндр требовал обслуживания.
Типом, давно знакомым на французских железных дорогах, был 4-цилиндровый состав де Глена. Прототип Nord 701 представлял собой модель 2-2-2-0, разработанную Альфредом де Гленом , инженером Société Alsacienne de Constructions Mécaniques (SACM), по заказу Гастона дю Буске , главного инженера Nord Railway. [19] [20] Он имел 4-цилиндровую компоновку с отсоединенными ведущими колесами и внешне напоминал компаунд Webb, за исключением того, что внутренние цилиндры HP приводили в движение ведущую ось, а цилиндры LP находились снаружи, приводя в движение ведомую ось. . В 1891 году два серийных локомотива, Норд 2.121 и 2.122, были приняты в эксплуатацию с перевернутым расположением цилиндров по настоянию Дю Буске, то есть снаружи HP и внутри LP, один из которых изначально имел, как и раньше, отсоединенные ведущие оси, но эта компоновка оказалась хуже, чем у паровоза. спаренная версия.
Этот тип был значительно улучшен Дю Буске, который усовершенствовал расположение штоков и клапанного механизма внутри рамы для облегчения доступа. Позже он провел исследования паровых проходов для уменьшения дросселирования, что проложило путь к работе Чапелона 27 лет спустя. Это превратилось в очень эффективную схему, скопированную многими железными дорогами Франции, Бельгии, Германии и Англии. [21]
Таким образом, тип de Glehn строился в больших количествах во Франции с различной колесной формулой для эксплуатации внутри страны и за рубежом; некоторые из них были также построены в Германии и Бельгии. Многие из них прослужили долго: локомотив 4-6-0 230.D выпуска 1909 года, стоявший в Крей, все еще часто можно было увидеть на Северном вокзале в Париже в конце 1960-х годов.
Три типа 4-4-2 были приобретены Great Western Railway , один в 1903 году и два чуть более крупных в 1905 году под руководством суперинтенданта локомотива Джорджа Джексона Черчворда для использования в сравнительных испытаниях и были проверены на основе его собственных разработок. По сравнению с более поздними соединениями де Глена, у 4-цилиндрового простого локомотива 4-4-2 нет. 40 Полярная звезда была построена специально. Хотя ряд элементов французской практики был принят на вооружение Great Western в результате этих испытаний, составная система де Глена не входила в их число. В 1904 году Пенсильванская железная дорога заказала для Pennsy копию Nord Atlantic под названием «Французский аристократ», но слишком легкую, что делало ее недостаточно мощной из-за низкой тяги. Списана на слом в 1912 году. [22]
В Новой Зеландии построенные на месте NZR A класса 1906 года и NZR X класса 1908 года представляли собой составы де Глена, хотя в основном позже были преобразованы в простые перегретые локомотивы (а класс A - только с двумя цилиндрами).
В России с 1906 года Путиловское предприятие (позже Кировский завод ) строило 4-цилиндровый паровоз класса У. Два цилиндра высокого давления были размещены снаружи шпангоутов, а два цилиндра низкого давления — внутри шпангоутов. Один класс U переживает U-127. Он хранится в Музее Московской железной дороги .
Северо -британская локомотивная компания в Глазго построила комплексы де Глен для Бенгальско-Нагпурской железной дороги в Индии в 1906 году, которые были очень успешными и экономичными с точки зрения использования воды. Дальнейшие увеличенные двигатели были построены в 1929 году.
В 1900 году итальянский инженер Энрико Планчер разработал новую любопытную конструкцию составного двигателя, которая впервые появилась на экспресс-локомотиве класса Rete Adriatica 500; он отличался асимметричной четырехцилиндровой конструкцией, в которой два цилиндра высокого давления и два цилиндра низкого давления были сгруппированы вместе, причем каждая пара обслуживалась одним поршневым клапаном, который впускал пар одновременно к противоположным концам двух цилиндров. Прототип этого класса был представлен на Международном железнодорожном конгрессе 1900 года в Париже и был рассмотрен с интересом, но не имел выдающегося успеха; однако в конечном итоге асимметричная конструкция, хотя и была простой, оказалась довольно неудобной, так как было трудно уравнять работу каждой стороны локомотива, и это вызывало охоту . Двигатель Plancher снова использовался в некоторых конструкциях Ferrovie dello Stato, таких как экспресс-локомотивы FS Class 680 и тяжелые грузовые локомотивы FS Class 470 , но после широкого распространения пароперегревателя дальнейшее применение не было одобрено . [23] [24]
Вышеупомянутые знаменитые перестройки Андре Шапелона , начиная с 1929 года, в основном проводились на объектах де Глена. Шапелон вместе с другими французскими инженерами, такими как Гастон дю Буске и Марк де Касо, довели эти локомотивы до высочайших показателей производительности.
Maffei в Мюнхене также построил большую часть немецких 4-цилиндровых двигателей (таких как S 3/6), в основном на более поздней системе фон Борриса. Несмотря на широкую политику стандартизации со стороны Рейхсбана, предполагающую простое расширение, небольшое, но последовательное количество Maffei Pacific конструкции 1908 года, тем не менее, считалось незаменимым для холмистых маршрутов с серьезными ограничениями по нагрузке на ось и было построено новым только в 1931 году.
Ливио Данте Порта в 1948 году черпал вдохновение в перестройках Chapelon 4700/240P для «Аргентины»; его первая продукция, 4-цилиндровый двигатель, переделанный из старого британского Pacific с метровой колеей в футуристический 4-8-0.
Другая исторически важная, хотя и менее многочисленная конфигурация также возникла во Франции: трехцилиндровый компаунд с двумя внешними цилиндрами низкого давления, установленными под углом 90 °, питаемыми от одного цилиндра высокого давления между рамами с кривошипом, установленным на 135 ° относительно остальных. Впервые он был использован в прототипе Французской Северной железной дороги в 1887 году по проекту Эдуарда Соважа. Nord 3.101 остался единственным примером, но, тем не менее, прослужил 42 года.
На Британской Северо-Восточной железной дороге в 1898 году появился прототип составного локомотива 4-4-0, №. 1619 ( NER Class 3CC ) с той же компоновкой, что и конструкция Уолтера Маккерси Смита (он сам был перестроен из более раннего прототипа 2-цилиндрового компаунда Уорсделла/Фон Борриса 1893 года). [25] Это легло в основу первоначальной партии из пяти локомотивов Midland Railway 1000 Class , разработанных Сэмюэлем Уэйтом Джонсоном для Midland Railway . За ними, начиная с 1905 года, последовали 40 увеличенных серийных версий, в которых все фитинги Смита были заменены упрощенной пусковой системой, встроенной в регулятор; это по замыслу преемника Джонсона Ричарда Дили . Оригинальные локомотивы Джонсона были переоборудованы в составы Дили с 1914 года и были перегреты.
После образования Лондонской, Мидлендской и Шотландской железной дороги в 1923 году и после сравнительных испытаний локомотивов входящих в ее состав компаний состав Midland был признан лучшим и принят в слегка модифицированной версии, LMS Compound 4-4-0 , от С 1925 по 1932 год как стандартный экспресс-локомотив LMS 4-го класса, всего было выпущено 245 локомотивов. Локомотивы LMS не получили всеобщего признания, особенно на старом участке LNWR, где они шли рука об руку с методами эксплуатации, навязанными частью Midland Railway, но в Шотландии они были приняты как решение серьезных местных проблем с экспресс-локомотивами и в целом пользовались большим успехом.
Пять более крупных 3-цилиндровых локомотивов были построены по той же общей схеме компанией Beyer, Peacock and Company по проекту GT Glover для Великой Северной железной дороги (Ирландия) в 1932 году для экспрессов Дублин-Белфаст. Сохранившимися примерами являются перестроенный прототип Midland Compound, 1000 (BR 41000) и Great Northern Railway (Ирландия) no. 85 Мерлин.
С 1896 года Weymann представила 3-цилиндровый двигатель типа 2-6-0 с разделенным приводом и кривошипами на 120 ° для эксплуатации на швейцарских маршрутах Юра-Симплон с тяжелым уклоном; в итоге их насчитывалось 147 единиц.
Прерванная послевоенная программа замены локомотивов Chapelon включала в себя целый ряд трехцилиндровых двигателей Sauvage. Единственным, кто появился на свет, был 242А 1, прототип 4-8-4 , перестроенный в 1946 году из неудачного простого 4-8-2 с 3-цилиндровым двигателем. 242А 1 был, вероятно, самым важным составным локомотивом всех времен, способным развивать впечатляющую мощность в 5300 лошадиных сил (4000 кВт) при весе двигателя всего 145,6 метрических тонн. [26] Один из самых эффективных паровозов, когда-либо построенных, расход угля составлял всего 850 г/л.с. (1,1 г/Вт) в час, а расход воды составлял 6,45 л/л.с. (8,6 мл/Вт) в час при 3000 л.с. (2200 л.с.) кВт). [26] Типичный локомотив простого расширения может потреблять примерно вдвое больше этого количества для получения той же производительности.
Схема с поворотом кривошипа более или менее 120° (окончательное положение должно было быть определено эмпирически) с расположением цилиндра ВД с левой стороны была полностью разработана аргентинским инженером Л.Д. Порта для новых современных паровозов, которые все использовали многократное расширение, некоторые следовали этой трехцилиндровой составной системе. В их число входили локомотивы колесной формулы 2-10-0 , один из которых предназначался для быстрых грузовых работ в США и представлял собой машину тройного расширения высокого давления. Как ни странно такая компоновка, она имела ряд преимуществ с точки зрения выравнивания тяги поршней и расположения паропроводов. Утверждалось, что при правильном техническом обслуживании и эксплуатации такие локомотивы могут конкурировать с современными видами тяги. Другие проекты касались небольших двухцилиндровых агрегатов: в частности, локомотива для сахарных плантаций на Кубе, сжигающего жом .
В Великобритании компаундирование гораздо шире использовалось на дорожных локомотивах (паровых катках, тяговых двигателях и паровых грузовиках), чем на железнодорожном транспорте. Обычная компоновка представляла собой один цилиндр высокого давления и один цилиндр низкого давления (двойной кривошип), однако существовал наложенный тип соединения с одним кривошипом в стиле Воклена.
