Паровоз высокого давления — это паровоз с котлом , который работает при давлениях, значительно превышающих то, которое считается нормальным для других локомотивов. Большинство локомотивов работают при давлении пара от 200 до 300 фунтов на квадратный дюйм (от 1,38 до 2,07 МПа). [1] В последние годы существования пара давление в котлах обычно составляло от 200 до 250 фунтов на квадратный дюйм (от 1,38 до 1,72 МПа ). [ нужна цитата ] Можно считать, что локомотивы высокого давления начинают работу при давлении 350 фунтов на квадратный дюйм (2,41 МПа), когда становятся необходимыми специальные методы строительства, но у некоторых были котлы, которые работали при давлении более 1500 фунтов на квадратный дюйм (10,34 МПа).
.jpg/1280px-Delaware_&_Hudson_RR_high-pressure_locomotive,_1401_John_B._Jervis_(CJ_Allen,_Steel_Highway,_1928).jpg)
Максимизация эффективности теплового двигателя в основном зависит от достижения температуры, при которой тепло принимается (т. е. поднимается пар в котле ) , насколько это возможно, от температуры, при которой оно отбрасывается (т. е. пар, когда он покидает цилиндр). Количественную оценку этого дал Николя Леонар Сади Карно .
Есть два варианта: повысить температуру приемки или снизить температуру отбраковки. Для парового двигателя первое означает подъем пара при более высоком давлении и температуре, что с инженерной точки зрения довольно просто. Последнее можно реализовать двумя способами: использовать цилиндры большего размера , позволяющие выхлопному пару расширяться дальше, и/или конденсировать выхлопные газы, чтобы еще больше снизить температуру отбраковки. Однако обе реализации зашли в тупик: первая ограничена габаритом загрузки , а вторая имеет тенденцию быть обреченной на провал из-за потерь на трение в значительно возросших объемах отработанного пара, который необходимо обрабатывать.
Таким образом, часто считалось, что высокое давление — это способ улучшить топливную экономичность локомотивов. Однако эксперименты в этом направлении всегда терпели неудачу из-за значительного увеличения затрат на приобретение и обслуживание. Более простой способ повысить приемочную температуру — использовать умеренное давление пара и перегреватель .
Локомотивы высокого давления были значительно сложнее обычных конструкций. Речь шла не просто о создании обычного жаротрубного котла с достаточно увеличенной прочностью и более мощной топкой. Требования к прочности конструкции корпуса котла делают это непрактичным; он становится невозможно толстым и тяжелым. Для высоких давлений пара универсально используется водотрубный котел . Паровые барабаны и соединяющие их трубы имеют относительно небольшой диаметр с толстыми стенками и, следовательно, намного прочнее.
Следующая трудность – это отложение накипи и коррозия труб котла. Накипь, отложившаяся внутри трубок, невидима, обычно недоступна и представляет смертельную опасность, так как приводит к локальному перегреву и выходу трубки из строя. Это было основным недостатком первых водотрубных котлов, таких как конструкция Дю Темпл, испытанная в сети French Nord в 1907 и 1910 годах. Водяные трубки в котлах Королевского флота проверялись на предмет засорения путем осторожного сбрасывания пронумерованных шариков вниз по изогнутым трубкам. .
Внезапная утечка пара в топку достаточно опасна для обычного котла: огонь, скорее всего, вырвется из дверцы топки, что приведет к печальным последствиям для всех, кто окажется на пути. С котлом высокого давления результаты еще опаснее из-за большего выделения энергии. Это продемонстрировала трагедия Фьюри , хотя в этом случае был сделан вывод, что причиной отказа трубки был перегрев из-за отсутствия потока пара, а не отложения накипи.
Первым экспериментатором с паром высокого давления был Джейкоб Перкинс . Перкинс применил свою систему « герметичной трубки » к котлам паровозов, и в 1836 году для Лондонской и Юго-Западной железной дороги было построено несколько локомотивов, использующих этот принцип .
.jpg/1280px-6399_Fury_(Wonder_Book_of_Engineering_Wonders,_1931).jpg)
Одним из способов избежать проблем с коррозией и накипью при высоком давлении является использование дистиллированной воды , как это делается на электростанциях . [ нужна ссылка ] Растворенные газы, такие как кислород и углекислый газ, также вызывают коррозию при высоких температурах и давлениях, и их следует избегать. Большинство локомотивов не имели конденсаторов, поэтому не было источника чистой питательной воды. Одним из решений была система Шмидта. [2]
В системе Шмидта использовался герметичный контур сверхвысокого давления, который просто передавал тепло в контур высокого давления с помощью нагревательных змеевиков внутри котла высокого давления. Если бы в последнюю подавалась обычная вода, на внешней стороне нагревательных змеевиков могла бы образоваться накипь, но это не могло бы вызвать перегрева, поскольку трубы ультра-ВД вполне могли выдерживать свою внутреннюю температуру пара, но не температуру топки.
Герметичный контур сверхвысокого давления работал при давлении от 1200 до 1600 фунтов на квадратный дюйм (от 8,27 до 11,03 МПа), в зависимости от скорости стрельбы. Котел ВД работал при давлении примерно 850 фунтов на квадратный дюйм (5,86 МПа), а котел низкого давления - при давлении от 200 до 250 фунтов на квадратный дюйм (1,38–1,72 МПа). Котлы УВД и ВД имели водотрубную конструкцию, котел НД — жаротрубный котел, характерный для паровозов. Цилиндры НД приводились в движение смесью выхлопов цилиндров ВД и мощности котла НД. Котлы ВД и НД имели пароперегреватели .
Французский PL241P , немецкий H17-206 и британский LMS 6399 Fury использовали систему Шмидта и имели в основном схожую конструкцию. New York Central HS-1a и Canadian 8000 также использовали систему Шмидта, но в целом были на размер больше - 8000 весили более чем в два раза больше Fury.
Другой способ избежать образования накипи в котле ВД — использовать только пар для передачи тепла от огня; пар, конечно, не может отложить накипь. Насыщенный пар из парогенератора ВД прокачивался через трубы пароперегревателя ВД, облицовывающие топку. Там он был перегрет примерно до 900 ° F (482 ° C), а давление поднялось до 1700 фунтов на квадратный дюйм (11,72 МПа). Только четверть этого количества была подана в цилиндры ВД; остальное возвращалось в парогенератор, где его тепло испаряло больше воды для продолжения цикла.
Выхлоп цилиндра ВД проходил через подогреватель подачи НД, а затем через трубы котла НД; это было примерно эквивалентно котлу низкого давления в системе Шмидта, но нагревалось выхлопным паром высокого давления, а не дымовыми газами. Пар поднимался в котле НД под давлением 225 фунтов на квадратный дюйм (1,55 МПа), подавался в пароперегреватель НД, а затем в цилиндр НД. Выхлоп НД подавал в дымовую трубу дымовой камеры. Выхлопы ВД, конденсированные в нагревательных трубах котла НД, перекачивались обратно в парогенератор ВД. Это была сложная система.
Единственным локомотивом, построенным с использованием этой системы, был немецкий DRG H 02 1001 1930 года. Он не имел успеха, будучи крайне ненадежным.
Прототип Baldwin 60000 работал при относительно низком давлении 350 фунтов на квадратный дюйм (2,41 МПа) и не использовал ни одну из сложных систем, описанных выше. Он имел как относительно обычный водотрубный котел , так и жаротрубный котел . Тем не менее, высокие затраты на техническое обслуживание и низкая надежность свели на нет экономию топлива, обещанную высоким давлением и компаундированием, и конструкция не была повторена. В США были построены и другие умеренно традиционные локомотивы высокого давления, в том числе локомотив LF Loree тройного расширения 1933 года, но ни один из них не имел успеха.
HW Bell и компания представили успешную линейку локомотивов высокого давления в 1908 году, производство которых продолжалось до 1920-х годов. Основная технология, используемая в этих машинах, была заимствована у Stanley Steamer . [3] Самыми маленькими из них были узкоколейные двигатели весом всего 5000 фунтов (2300 кг) и с колесной базой 5 футов (1,5 м) , но они работали при давлении 500 фунтов на квадратный дюйм (3,45 МПа), а котлы испытывались при давлении 1200 фунтов на квадратный дюйм. (8,27 МПа). Вертикальный жаротрубный котел был обмотан рояльной проволокой , а шатуны и кривошипы были полностью закрыты и прикреплены к одной оси. [4] Компания Bell Locomotive Works рекламировала более поздние модели с более традиционным давлением 325 фунтов на квадратный дюйм (2,24 МПа) или 350 фунтов на квадратный дюйм (2,41 МПа). [5] [6]
В Великобритании в 1929 году LNER Class W1 был построен с водотрубным котлом морского типа, работающим при давлении 450 фунтов на квадратный дюйм (3,10 МПа). Он не имел большого успеха и в 1936 году был переоборудован с использованием обычного жаротрубного котла.
