Компаундный локомотив — это паровоз , который приводится в действие компаундным двигателем , типом паровой машины , в которой пар расширяется в две или более ступеней. [1] [2] Локомотив был лишь одним из применений компаундирования. Две и три ступени использовались, например, на кораблях. [3]
Компаундирование стало популярным для железнодорожных локомотивов с начала 1880-х годов и к 1890-м годам стало обычным явлением. Было построено большое количество, в основном двух- и четырехцилиндровых компаундов, в Германии, Австрии, Венгрии и Соединенных Штатах. Его популярность снизилась из-за предполагаемых возросших требований к техническому обслуживанию. Тем не менее, компаундные молоты строились Норфолкской и Западной железной дорогой вплоть до 1952 года и, что более важно, компаундные локомотивы продолжали проектироваться и строиться во Франции до конца эпохи пара в 1970-х годах. Французское компаундирование железнодорожных двигателей стало настолько развитым, что в конечном итоге включило подогреватели между ступенями высокого и низкого давления, а также первоначальное использование пароперегревателей, что Франция достигла самого высокого отношения мощности к весу и самого высокого отношения лошадиной силы к площади колосниковой решетки среди всех когда-либо построенных паровозов.
В обычной компоновке для составного двигателя пар сначала расширяется в одном или двух цилиндрах высокого давления (ВД) , затем, отдав немного тепла и потеряв немного давления, он выпускается в цилиндр низкого давления (НД) большего объема (или два, - или более), таким образом расширяя часть термодинамического цикла . Можно сказать, что цилиндры работают «последовательно», в отличие от обычной компоновки локомотива простого расширения , где они работают «параллельно». Чтобы сбалансировать тягу поршней состава, соотношение объемов цилиндров ВД:НД должно быть тщательно определено, обычно путем увеличения диаметра цилиндра НД и/или путем удлинения хода. В неконденсирующихся двигателях соотношение объемов ВД:НД обычно составляет 1:2¼. На локомотивах с редуктором объемы цилиндров можно поддерживать более или менее одинаковыми путем увеличения скорости поршня НД. Составной может относиться к любому двигателю многократного расширения. [4] Дополнительное понимание приходит с терминами двойной, тройной, четверной. Экспериментальный локомотив тройного расширения, названный LFLoree, был построен American Locomotive Company и Delaware & Hudson Railroad в 1933 году. [5] [6]
Основные преимущества, которые можно получить от компаундирования, — это снижение расхода топлива и воды, а также более высокое отношение мощности к весу из-за большего расширения в цилиндре перед открытием выпускного клапана, что обеспечивает более высокую эффективность; дополнительные преимущества включают более равномерный крутящий момент и во многих случаях превосходные ходовые качества с последующим меньшим износом пути и ходовой части. Там, где сочетались тяжелые уклоны и низкие нагрузки на ось, компаундный локомотив часто считался наиболее жизнеспособным решением. Успешная конструкция компаундного локомотива требует твердого понимания термодинамики и динамики жидкости; то, что это часто не было так, объясняет, почему многие производства в прошлом были далеки от оптимального. Это особенно касается локомотивов, построенных в первые годы 20-го века. Проблема не только затрагивала компаунды, но и была драматичной в их случае из-за длительного парового цикла, который делал их особенно чувствительными к перепаду температуры и конденсации пара во время его длительного прохождения. Начиная с 1929 года, при реконструкции старых локомотивов Шапелону удалось без больших затрат добиться, казалось бы, почти «магических» улучшений мощности и экономичности за счет улучшения потока в паровом контуре и одновременной установки более крупного пароперегревателя для повышения начальной температуры пара и замедления конденсации в цилиндрах низкого давления.
Чтобы предотвратить возникновение сильной конденсации, LNER применила повторный перегрев к своему водотрубному котлу № 10 000, чтобы компенсировать недостаточный перегрев высокого давления. [7] Парижско-Орлеанская железная дорога спроектировала демонстрационный локомотив 2-12-0 , № 160-A1 (испытанный в 1948-51 гг.), с повторным перегревом между ступенями высокого и низкого давления. Они также установили паровые рубашки на оба цилиндра высокого и низкого давления, что, по мнению Шапелона [7], было первым случаем для составного локомотива. Повторный перегрев также применил Порта на своем прототипе 4-8-0, перестроенном: «La Argentina» (испытанный примерно в то же время в Аргентине). Сторонники простого расширения утверждают, что использование раннего отключения в цилиндре, таким образом расширяя небольшие количества пара при каждом ходе поршня, устраняет необходимость в усложнении и первоначальных расходах на компаундирование и, по сути, многоцилиндровое одинарное расширение — это продолжающийся спор.
Существует множество конфигураций, но можно выделить два основных типа в зависимости от того, как фазируются ходы поршней высокого и низкого давления и, следовательно, может ли выхлоп высокого давления проходить непосредственно из высокого давления в низкое (соединения Вульфа) или же колебания давления требуют промежуточного «буферного» пространства в виде паровой камеры или трубы, известной как ресивер (соединения ресивера).
Вечная проблема с компаундами — запуск: для того, чтобы все цилиндры могли выдержать свой вес, желательно иметь какой-то способ закорачивания цилиндров высокого давления и подачи пара при пониженном давлении непосредственно в цилиндры низкого давления; поэтому многие из запатентованных компаундных систем связаны с особыми пусковыми устройствами. 4-цилиндровая система de Glehn, вероятно, по-прежнему является самой сложной из всех с независимым отключением высокого и низкого давления и поворотным клапаном, называемым lanterne , позволяющим независимую работу или комбинации групп высокого и низкого давления. Большинство других систем используют пусковые клапаны различных видов. Другим критерием является то, являются ли клапанные механизмы двух групп полностью независимыми или связаны между собой каким-либо образом.
Они могут быть расположены в шахматном порядке с приводом на несколько осей, последовательно сосредоточены на одной оси или совместно с приводом высокого и низкого давления на общий кривошип. Последняя система широко применялась в США в первые годы XX века, особенно на Santa Fe.
Джонатан Хорнблауэр , внук одного из установщиков двигателей Ньюкомена в Корнуолле, запатентовал двухцилиндровый двигатель с составной возвратно-поступательной балкой в 1781 году. Ему помешал в дальнейшем его развитии Джеймс Уатт , который утверждал, что его собственные патенты были нарушены. [10]
Метод уменьшения величины постоянного нагрева и охлаждения паровой машины с одинарным расширением , приводящего к неэффективности, был изобретен в 1804 году британским инженером Артуром Вульфом . В 1805 году Вульф запатентовал свой стационарный двигатель высокого давления Вульфа .
Первая известная конструкция локомотива с компаундным двигателем принадлежит Томасу Крэддоку, который запатентовал конструкцию локомотива с конденсационным компаундом в 1846 году. [11] : 9–10
В 1850 году патент Великобритании номер 13029 был выдан Джеймсу Сэмюэлю , инженеру Eastern Counties Railway , на «локомотив непрерывного расширения», метод компаундирования паровоза, хотя идея, по-видимому, исходила от некоего Джона Николсона, машиниста на линии. В этой системе два цилиндра чередовались как высокое и низкое давление, причем переключение происходило на полпути каждого такта. Два локомотива, один пассажирский и один грузовой, были переоборудованы в систему, но дальнейших примеров не последовало. [12]
Является ли представленный выше локомотив, строго говоря, компаундом, является предметом споров: первое известное применение компаунда в локомотиве было на железной дороге Эри № 122, обычном американском типе, оснащенном в 1867 году тандемными компаундными цилиндрами по патенту Дж. Ф. Лея № 70341. [13] О дальнейшей судьбе этого локомотива ничего не известно, и, по-видимому, он не был воспроизведен.
Простейшая форма составного локомотива имеет два цилиндра, цилиндр высокого давления с одной стороны и цилиндр низкого давления с другой стороны; название отражает поток пара от высокого давления к низкому через локомотив. Большинство ранних попыток составных локомотивов были вариациями конструкции крестового состава, некоторые из них были известны Baxter (1870) и Hudson (1873). [11] : 12 Другой был Анатоль Малле , который представил в 1876 году серию небольших 2-цилиндровых составных локомотивов-цистерн 0-4-2 для железной дороги Байонна-Англет-Биарриц. Они были полностью успешны и работали в течение многих лет.
У локомотивов с кросс-компаундом есть фундаментальная проблема конструкции, которая заключается в том, что если цилиндр высокого давления остановлен «по центру», локомотив не может запуститься. Чтобы решить эту проблему, все практические локомотивы с кросс-компаундом имеют некую форму пускового клапана, который позволяет впускать пар высокого давления в цилиндр низкого давления при запуске. В некоторых случаях это вручную управляется машинистом локомотива, в то время как в других случаях это происходит автоматически; в последнем случае клапан часто называют «перехватывающим клапаном». Основное различие между различными формами локомотивов с кросс-компаундом заключается в конструкции и работе перехватывающего клапана.
Вторая проблема конструкции локомотивов с кросс-компаундом заключается в том, что если двигатель работает на коротком отключении, пар полностью расширяется в цилиндре высокого давления и не выполняет никакой работы в цилиндре низкого давления, что вызывает неравные напряжения в двигателе. Эта проблема избегается, если двигатель имеет 3 или 4 цилиндра, что было элементом, движущим разработку следующих типов.
Mallet также разработал схемы для составов с независимым раздельным приводом для HP и LP, некоторые с одним жестким шасси, которые так и не были построены, другие с жестким задним шасси, на котором были установлены цилиндры HP и сочлененный передний блок двигателя LP. Последняя компоновка была принята во всем мире. Первым применением была серия локомотивов с шириной колеи 600 мм, специально построенных компанией Decauville для Парижской выставки 1889 года; конструкция была представлена на североамериканских железных дорогах в 1900 году с B&O № 2400 и быстро стала там популярной. Практика в США перешла к «простому Mallet», который использовал ту же сочлененную компоновку, но исключил компаундирование. Как простые, так и составные локомотивы Mallet прослужили до конца пара.
Вышеупомянутые схемы раздельного привода с жесткой колесной базой Маллета, хотя они никогда не применялись на практике, могли вдохновить Фрэнсиса Уэбба в Британии. После испытаний старого одноцилиндрового двигателя, преобразованного в двухцилиндровый состав в 1878 году, он представил в 1882 году свой первый класс Experiment с похожим раздельным приводом : трехцилиндровые составы с несцепленными ведущими колесами, в которых два небольших внешних цилиндра высокого давления выбрасывали воздух в один большой цилиндр низкого давления между рамами. Затем последовали другие подобные классы, постепенно увеличивавшиеся. Несцепленные ведущие колеса были проблематичными, поскольку две пары колес могли вращаться в противоположных направлениях при трогании с места, если локомотив ранее дал задний ход на свой поезд. Такое расположение, по-видимому, было принято из-за нехватки места, но Туплин указал [ где? ] , что если бы был установлен клапанный механизм Вальсхарта , ведущие колеса могли бы быть соединены обычным способом.
Колесные формулы различались: 2-2-2-0, 2-2-2-2, 2-2-2-2T, 2-2-4-0T и 0-8-0; последние были грузовыми локомотивами и единственными в своем роде, у которых все колеса были сцеплены. Следующий этап Уэбба состоял из двух классов 4-цилиндровых составных локомотивов 4-4-0, одного типа 4-6-0 и, наконец, еще нескольких 0-8-0. Последние считаются наиболее успешными составами Уэбба, и некоторые из них сохранились в своем первоначальном состоянии до 1920-х годов.
В 1889 году Сэмюэл М. Воклен из Baldwin Locomotive Works разработал составной локомотив Vauclain . В этой конструкции использовался двигатель двойного расширения, установленный в пространстве, занимаемом обычным двигателем одинарного расширения на локомотиве, с использованием одного поршневого клапана с обычной передачей для управления как цилиндрами высокого, так и низкого давления. Цилиндр высокого давления мог быть размещен выше или ниже цилиндра низкого давления, каждый имел свой собственный поршневой шток, соединенный с общей крейцкопфой, так что для каждой пары цилиндров требовался один шатун и кривошип. [14] Была достигнута существенная топливная экономичность, но трудности обслуживания обрекли этот тип на неудачу. Большинство из них были переделаны в обычные двигатели.
Тандемный состав впервые появился на железной дороге Эри в 1867 году. Как и состав Воклена, состав Воклена имеет каждую пару цилиндров высокого и низкого давления, приводящих в движение общую поперечину, шатун и кривошип; но в отличие от состава Воклена, цилиндры установлены спереди и сзади друг от друга. Задняя стенка переднего цилиндра обычно является передней стенкой заднего цилиндра. Шток поршня заднего цилиндра соединен с поперечиной обычным способом, но передний цилиндр может иметь свой шток поршня или штоки в любой из двух форм: либо шток поршня заднего цилиндра удлинен вперед, чтобы также нести передний поршень; или, если передний цилиндр является цилиндром низкого давления (и, таким образом, больше по диаметру, чем цилиндр высокого давления сзади), он может иметь два длинных штока поршня, которые проходят выше и ниже или по обе стороны от цилиндра высокого давления, чтобы достичь общей поперечины. [15]
В Великобритании было три тандемных состава. Первый был № 224 Северной Британской железной дороги , который был построен в 1871 году как локомотив простого расширения 4-4-0 , будучи пионером класса 224 ; он был преобразован в тандемный состав в 1885 году, но вернулся к простому в 1887 году. В составе цилиндры высокого давления имели диаметр 13 дюймов (330 мм), размещались перед цилиндрами низкого давления, которые имели диаметр 20 дюймов (510 мм); общий ход составлял 24 дюйма (610 мм). Два других были 2-4-0 на Большой Западной железной дороге (GWR) — № 7 , построенный в феврале 1886 года для стандартной колеи, и № 8, построенный в мае 1886 года для широкой колеи. № 7 имел цилиндры высокого давления диаметром 15 дюймов (380 мм), низкого давления — 23 дюйма (580 мм). Цилиндры № 8 были немного меньше: высокого давления — 14 дюймов (360 мм), низкого давления — 22 дюйма (560 мм). В обоих локомотивах GWR цилиндры низкого давления находились спереди, а ход поршня составлял 21 дюйм (530 мм). № 7 прекратил работу в 1887 году, будучи разобранным в 1890 году; № 8 так и не поступил на регулярную службу, выйдя из строя во время испытаний — он был частично разобран в 1892 году. Оба локомотива были обновлены в 1894 году как стандартные 4-4-0 с простым расширением. [16] [17] [18]
Тандемные составные локомотивы были очень распространены в Соединенных Штатах до Первой мировой войны, и некоторые железные дороги, такие как Санта-Фе, имели большое количество в нескольких колесных формулах. Характерной чертой больших тандемных составных локомотивов был кран «A-образной рамы», установленный с каждой стороны дымовой коробки, чтобы можно было снять передний цилиндр (обычно цилиндр низкого давления), когда задний цилиндр требовал обслуживания.
Тип, давно известный на французских железных дорогах, — 4-цилиндровый компаунд de Glehn. Прототип, Nord 701, был 2-2-2-0, разработанный Альфредом де Гленом , инженером Société Alsacienne de Constructions Mécaniques (SACM), и заказан Гастоном дю Буске , главным инженером Nord Railway. [19] [20] Он имел 4-цилиндровую компоновку с разъединенными ведущими колесами и имел поверхностное сходство с компаундом Webb, за исключением того, что внутренние цилиндры HP приводили в движение ведущую ось, в то время как цилиндры LP находились снаружи, приводя в движение заднюю ось. В 1891 году два серийных локомотива, Nord 2.121 и 2.122, были введены в эксплуатацию с перевернутым по настоянию дю Буске расположением цилиндров, то есть снаружи HP и внутри LP, один из них изначально имел несцепленные ведущие оси, как и прежде, но такое расположение оказалось хуже, чем сцепленная версия.
Тип был значительно улучшен дю Буске, который усовершенствовал расположение стержней и клапанного механизма вдоль внутренней части рам для легкого доступа. Позже он провел исследования паровых проходов, чтобы уменьшить дросселирование, что проложило путь для работы Шапелона 27 лет спустя. Это превратилось в очень эффективную компоновку, скопированную многими железными дорогами во Франции, Бельгии, Германии и Англии. [21]
Таким образом, тип de Glehn был построен в большом количестве во Франции, с различными колесными формулами, для обслуживания внутри страны и за рубежом; некоторое количество было также построено в Германии и Бельгии. Многие из них прослужили долго: локомотив 4-6-0 230.D
, представленный в 1909 году и находившийся в Крее, все еще часто можно было увидеть на вокзале Гар-дю-Нор в Париже в конце 1960-х годов.Три из типа 4-4-2 были приобретены Great Western Railway , один в 1903 году и два немного большего размера в 1905 году под руководством ее локомотивного суперинтенданта Джорджа Джексона Черчворда для использования в сравнительных испытаниях и были испытаны против его собственных конструкций. Для сравнения с более поздними составами де Глена был специально построен 4-цилиндровый простой локомотив 4-4-2 № 40 North Star . Хотя ряд пунктов французской практики были приняты Great Western в результате этих испытаний, составная система де Глена не была одной из них. В 1904 году железная дорога Пенсильвании заказала копию Nord Atlantic под названием «французский аристократ» на Pennsy, но она была слишком легкой, что делало ее недостаточно мощной из-за низкой тяги. Она была списана в 1912 году. [22]
В Новой Зеландии построенные на месте паровозы класса NZR A 1906 года и класса NZR X 1908 года были паровозами Де Глена, хотя позже большинство из них были переоборудованы в простые паровозы с перегревателем (а класс A — только в двухцилиндровые).
В России с 1906 года Путиловское предприятие (позднее Кировский завод ) строило 4-цилиндровый паровоз класса У. Два цилиндра высокого давления размещались снаружи рам, а два цилиндра низкого давления — внутри рам. Один паровоз класса У сохранился до У-127. Он хранится в Музее Московской железной дороги .
Компания North British Locomotive Company из Глазго построила составы de Glehn для железной дороги Bengal Nagpur в Индии в 1906 году, которые были очень успешными и экономичными на воде. Дальнейшие увеличенные паровозы были построены в 1929 году.
В 1900 году итальянский инженер Энрико Планчер разработал новую и любопытную конструкцию составного двигателя, которая впервые появилась на экспресс-локомотиве класса Rete Adriatica 500; она была примечательна тем, что представляла собой асимметричную четырехцилиндровую конструкцию, в которой два цилиндра высокого давления и два цилиндра низкого давления были сгруппированы вместе, причем каждая пара обслуживалась одним поршневым клапаном, который одновременно впускал пар в противоположные концы двух цилиндров. Прототип класса был представлен на Международном железнодорожном конгрессе 1900 года в Париже и был рассмотрен с интересом, хотя и не имел выдающегося успеха; однако в долгосрочной перспективе асимметричная конструкция, хотя и простая, оказалась довольно неудобной, поскольку было трудно уравнять работу каждой стороны локомотива, и это вызывало охоту . Двигатель Планчера снова использовался на некоторых конструкциях Ferrovie dello Stato , таких как экспресс-локомотивы FS Class 680 и тяжелые грузовые локомотивы FS Class 470 , но после широкого внедрения пароперегревателя дальнейшее применение не было одобрено . [23] [24]
Знаменитые вышеупомянутые перестройки Андре Шапелона с 1929 года в основном были сделаны из соединений де Глена. Шапелон, вместе с другими французскими инженерами, такими как Гастон дю Буске и Марк де Касо, довели эти локомотивы до наивысших вершин производительности.
Maffei в Мюнхене также построил большую часть немецких 4-цилиндровых составов (таких как S 3/6), в основном на более поздней системе фон Борриса. Несмотря на всеобъемлющую политику стандартизации со стороны Рейхсбана, навязывающую простое расширение, небольшое, но последовательное количество Maffei Pacifics конструкции, датируемой 1908 годом, тем не менее считалось незаменимым для холмистых маршрутов с жесткими ограничениями нагрузки на ось и было построено новым только в 1931 году.
В 1948 году Ливио Данте Порта черпал вдохновение в переделках модели 4700/240P, выполненных Шапелоном для «Аргентины»; его первая продукция — 4-цилиндровый автомобиль, переделанный из старого британского Pacific с метровой колеей в футуристический 4-8-0.
Другая исторически важная, хотя и менее многочисленная конфигурация также имеет свои истоки во Франции: трехцилиндровый состав с двумя внешними LP, установленными под углом 90°, питаемый одним цилиндром HP между рамами с кривошипом, установленным под углом 135° относительно других. Впервые он был включен в прототип для французской Nord Railway 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 по проекту Уолтера Маккерси Смита (он сам был перестроен из более раннего 2-цилиндрового составного прототипа Worsdell/Von Borries 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 с 1905 года последовали 40 увеличенных серийных версий, в которых все фитинги Смита были заменены упрощенным пусковым устройством, встроенным в регулятор; это по проекту преемника Джонсона, Ричарда Дили . Оригинальные локомотивы Джонсона были перестроены как составные Дили с 1914 года и были перегреты.
После образования Лондонской , Мидлендской и Шотландской железной дороги в 1923 году и после сравнительных испытаний с локомотивами входящих в нее компаний, состав Мидленда был признан лучшим и принят в слегка измененной версии, LMS Compound 4-4-0 , с 1925 по 1932 год в качестве стандартного экспресс-локомотива класса 4 LMS, достигнув окончательного общего числа в 245 локомотивов. Локомотивы LMS не получили всеобщего признания, особенно на старом участке LNWR, где они шли рука об руку с методами эксплуатации, навязанными составляющими Мидлендской железной дороги, но в Шотландии они были приняты как решение серьезных эндемичных проблем экспресс-локомотивов и в целом были хорошо приняты.
Пять более крупных 3-цилиндровых локомотивов были построены по той же общей схеме компанией Beyer, Peacock and Company по проекту GT Glover для Great Northern Railway (Ирландия) в 1932 году для экспрессов Дублин-Белфаст. Сохранившиеся примеры — перестроенный прототип Midland Compound, 1000 (BR 41000) и Great Northern Railway (Ирландия) № 85 Merlin.
С 1896 года Вейманн представил 3-цилиндровый тип 2-6-0 с раздельным приводом и коленчатыми кривошипами под углом 120° для эксплуатации на швейцарских трассах с высоким уклоном Юра-Симплон; в конечном итоге их число достигло 147 единиц.
Прерванная послевоенная программа замены локомотивов Chapelon включала целый ряд 3-цилиндровых составов Sauvage. Единственным, который появился на свет, был 242A 1, прототип 4-8-4, перестроенный в 1946 году из неудачного 3-цилиндрового простого 4-8-2 . 242A 1 был, вероятно, самым важным составным локомотивом всех времен, способным развивать замечательную мощность в 5300 цилиндров (4000 кВт) для блока двигателя весом 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 — 6,45 л/л.с. (8,6 мл/Вт) в час при 3000 л.с. (2200 кВт). [26] Типичный локомотив простого расширения мог потреблять примерно вдвое больше, чтобы вырабатывать ту же мощность.
Компоновка с более или менее 120° кривошипной установкой (окончательная настройка должна была быть определена эмпирически) с цилиндром HP, размещенным с левой стороны, была полностью разработана аргентинским инженером Л. Д. Порта для новых современных паровозов, все из которых использовали бы многократное расширение, некоторые следовали этой 3-цилиндровой составной системе. К ним относились локомотивы с колесной формулой 2-10-0 , один из которых был предназначен для скоростных грузовых перевозок в США, это была машина высокого давления с тройным расширением. Как ни странно, эта компоновка имела ряд преимуществ с точки зрения выравнивания толчков поршней и расположения паровых каналов. Утверждалось, что при надлежащем обслуживании и эксплуатации такие локомотивы могли бы конкурировать с современными формами тяги. Другие проекты были для небольших 2-цилиндровых составов: в частности, локомотив для сахарных плантаций на Кубе, сжигающий жом .
В Британии компаундирование гораздо шире использовалось на дорожных локомотивах (паровых катках, тяговых двигателях и паровых грузовиках), чем на железной дороге. Обычно компаундирование состояло из одного цилиндра высокого давления и одного цилиндра низкого давления (двухкривошипный компаунд), однако существовал и наложенный одинарный компаунд в стиле Воклейна.