Читать книгу Турбовозы. История, теория, конструкция - Евгений Лосев - Страница 7

Паротурбовозы относятся к классу паровых локомотивов и в большинстве своём представляют обычные паровозы, в которых паровая машина заменена турбиной. К особенностям конструкции паротурбовозов, помимо двигателя, относится наличие конденсатора. Что касается передачи, то в паротурбовозах используются механические зубчатые передачи, а также передачи тепловозного типа – электрические, гидромеханические и др.

Поэтому далее будут описываться только отличия конструкции паротурбовозов от конструкции других типов локомотивов, как то:

– котлы повышенного и высокого давления, которые, хотя и применялись в обычных паровозах, но лишь в порядке опыта;

– системы вакуумной конденсации, включая сопутствующее оборудование;

– паровые турбины;

– зубчатые передачи;

– тендер.

Котёл. С 1886 по 1897 г. появился ряд котлов высокого давления, а именно:

в Германии в 1886 г. котлы Шмидта и Блом и Фосс на 60 ат;

во Франции в 1888 г. котёл Серполе на 70 ат;

в Швеции в 1897 г. котёл Лаваля на 120 ат.

Котлы Серполе работали в небольших паровозах городского типа; трубы в них были сплющены для уменьшения их сечения по отношению к их поверхности. Котлы Лаваля работали перегретым паром температурой 375—400°C и обслуживали на выставке 1897 г. в Стокгольме четыре турбины Лаваля с давлением пара 100 ат.

В 1911 г. инженер Шмидт построил для своих опытов над паром высокого давления новый котёл на 60 ат, но уже другой системы, а именно вертикальный водотрубный.

Однако, лишь в 1921 г. началась во всех промышленных странах усиленная работа по применению пара высокого давления.

Известная американская компания Babcock & Wilcox в 1923 г. начала производить секционные котлы на давление 84 ат. Но предварительно она в течение восьми лет производила подробные опыты над двумя пробными котлами.

Характерная особенность этих котлов:

а) Слабый уклон труб (около 16°);

б) Сравнительно небольшое водяное пространство, соответствующее в построенных в 1923 г. двух котлах лишь 45% от часовой паропроизводительности.

Котёл, построенный заводом для силовой станции в Калумете Общества Эдиссона Common Wealth Edisson Company в Чикаго, состоит из двух групп труб, в которых нижняя имеет 8, а верхняя 16 рядов. Обе группы отстоят друг от друга на 2,5 м и в этом пространстве расположены перегреватели свежего и промежуточного пара; оба пара перегреваются до 400°C, давление промежуточного пара 21 ат. Над котлом расположен цилиндрический барабан, выкованный, как у Борзига, из цельного куска и служащий сборником пара и для питания котла. В низшей точке котла имеется сборник ила. Подогреватель воды сделан в 44 ряда труб, по 20 в каждом ряду.

Котёл Бабкок-Вилькокс для силовой станции в Калумете Общества

Эдиссона Common Wealth Edisson Company в Чикаго.

Основные размеры главных частей котла следующие:

поверхности нагрева:

– котла – 1463 м²;

– перегревателя свежего пара – 197 м²;

– перегревателя промежуточного пара – 307 м²;

– подогревателя воды – 858 м²;

– часовая паропроизводительность котла – 45000 кг;

трубы котла:

– внутренний диаметр – 50,8 мм;

– длина – 4500 мм;

сборник пара:

– наружный диаметр – 1220 мм;

– толщина стенок – 102 мм;

водяные камеры:

– толщина продольных стенок – 31,75 мм;

– толщина боковых стенок – 15,9 мм;

трубы подогревателя воды:

– внутренний диамметр – 50,4 мм;

– длина – 6100 мм;

общая площадь котла – 8,5×11,1 м².

Данные котла для силовой станции в Уэймуте Эдиссоновского Общества электрического освещения в Бостоне:

поверхность нагрева – 1570 м²;

часовая паропроизводительность – 90000 кг;

температура перегрева пара – 370°C;

давление промежуточного пара — 26,5 ат.

Котёл Бабкок-Вилькокс для силовой станции в Уэймуте Эдиссоновского Общества электрического освещения в Бостоне.

Таким образом, производительность этих котлов на 1 м² поверхности нагрева равна около 30 кг/ч.

4 декабря 1924 г. на Делавар-Гудзонской ж. д. (США) состоялась приёмка нового паровоза типа 1—4—0 оригинальной конструкции.

Паровоз был принят и назван «Гораций Аллен». Он построен по проекту И. Е. Мульфелд, инженера-конструктора этой дороги на заводе Американской Паровозостроительной Компании.

Котёл «Горация Аллена» сильно отличается от обычных.

Он состоит из одного среднего котла, диаметром 1680 мм, двух нижних котлов диаметром по 508 мм и двух верхних диаметром 762 мм. Паровое пространство только в верхних котлах.

Наружный вид котла паровоза «Горация Аллена».

Вид внутрь огневой коробки.

Вид котла со стороны дымовой коробки.

Все котлы соединены между собой двумя водяными камерами, составляющими переднюю и заднюю стенку огневой коробки. Эти камеры состоят из двух частей, прикреплённых на фланцах друг к другу и приделанных внизу к отливке основания. Сквозь камеры проходят верхний и нижний котлы, в которых на местах присоединения вырезаны отверстия. Кроме этого, к передней камере приклёпаны с одной стороны листы стенок среднего котла, а с другой стороны – трубная стенка этого котла с дымогарными трубами. В задней камере имеется отверстие для топочной дверки. В задних днищах верхних и нижних котлов имеются лазы. Верхние котлы с паровым пространством длиннее нижних; они вытянуты вдоль среднего котла на 3376 мм и на переднем котле имеют утолщение, с помощью которого они сообщаются со средним котлом. Чтобы сделать это сообщение ещё лучше, между верхними котлами установлены четыре трубы, соединяющие средний котёл с верхними.

Верхние котлы соединяются с нижними с помощью 306 трубок (102 диаметром 2¹/₂ дюйма и 204 диаметром 2 дюйма), которые одновременно составляют боковые стенки огневой коробки. Этим достигаются большая поверхность нагрева огневой коробки и жёсткость всей конструкции.

Чтобы увеличить ещё больше поверхность нагрева огневой коробки, под верхними котлами установлены десять трехдюймовых труб, соединяющих переднюю и заднюю водяные камеры. Кроме того, эти камеры соединены между собою шестью 3¹/₂-дюймовыми трубами, идущими вдоль свода.

Свод топки идёт непрерывно от низа трубной стенки до задней водяной камеры, выше топочной дверки, и делит огневую коробку на две части. Пламя и горячие газы идут направо и налево сквозь ряды водяных трубок, затем поворачивают и снова проходят мимо трубок в пространство над сводом, а оттуда в дымогарные трубы.

Пар собирается в передних частях верхних котлов. У наивысшей производящей этих котлов подвешена паросборная труба, в верхней части которой просверлено несколько рядов полдюймовых дыр. Пар, таким образом, собирается над большим зеркалом испарения и почти не увлекает с собой воду.

По паросборной трубе пар выходит из верхнего котла и через тройник попадает в водоотделитель системы Sanford Riley, установленный между верхними котлами.

Этот водоотделитель центробежного типа; пар пропускается по горизонтальной спирали, где вода выделяется и собирается на дне отливки; отсюда она снова попадает в котёл.

Описанная паросборная труба дала столь хорошие результаты, что водоотделителю почти нечего было делать; был даже поднят вопрос, нужен ли он вообще. Калометрическое исследование установило, что максимальная влажность пара в результате действияя паропроводной трубы и водоотделителя не превышала 2—3%.

К переднему фланцу водоотделителя привинчен болтами регулятор. Из регулятора пар попадает в камеру перегревателя, расположенную над дымовой коробкой.

Все болты перегревательных элементов имеют гайки наверху камеры, где их можно подтягивать, не открывая дверец дымовой коробки. В перегревателе 42 элемента, и каждый состоит из одной петли. Трубка элемента по выходе из камеры насыщенного пара завёрнута спиралью вокруг кольцеобразной трубы и вместе с ней заварена в стальную отливку, расположенную на 300 мм позади трубы паровоза. Движение пара по спирали прижимает всю влагу его к стенкам, чем достигается лучшая теплопередача. Этим также уравновешиваются напряжения расширения в соединениях кольцеобразной трубы. По этой трубе пропускается пар, который предохраняет от перегрева, когда регулятор закрыт. Из камеры перегревателя перегретый пар по паровпускной трубе попадает в цилиндр высокого давления.

Много внимания было обращено на уменьшение сопротивления в паропроводе. Паропроводная труба до регулятора имеет 8¹/₂ дюйма в диаметре. (Лишь выходной фланец водоотделителя имеет диаметр 8 дюймов). От регулятора до камеры нагревателя 7¹/₂-дюймовый проход, и тот же размер удержан до цилиндра высокого давления. Ресиверная труба имеет 10 дюймов в диаметре.

Котёл паровоза «Горация Аллена» в разрезах.

Основные данные котла:

тип – комбинированный водо- и огнетрубный;

давление пара – 22 ат;

род топлива – смесь жидкого и антрацита;

внутренний диаметр передней части среднего котла —

1546 мм;

огневая коробка, длина и ширина – 3480 × 1875 мм;

трубы вдоль свода, число и диаметр – 6 по 90 мм;

дымогарные трубы, число и диаметр – 145 по 50 мм;

жаровые трубы, число и диаметр – 42 по 137 мм;

длина – 4572 мм;

поверхность решётки – 6633 м²;

поверхности нагрева:

– огневой коробки – 104,42 м²;

– труб свода – 5,85 м²;

– дымогарных труб – 105,16 м²;

– жаровых труб – 81,85 м²;

итого поверхность нагрева парообразования – 297,28 м²;

перегреватель – 53,79 м²;

всего парообразования и перегревателя – 351,07 м².

Завод Baldwin в Америке выпустил в 1926 г. свой шестидесятитысячный паровоз, представляющий интерес рядом конструктивных ообенностей. Этот юбилейный паровоз типа 2—5—1, предназначенный для товарных поездов, рассчитан на давление пара 24,6 ат, вследствие чего недостаточно надёжная при повышенных давлениях пара топка обычного типа с плоскими стенками и болтовыми связями заменена в нём водотрубной.

В устройстве цилиндрической части котла нет никаких особенностей. Котёл состоит из трёх барабанов, склёпанных из железа толщиной 33,3, 35 и 38 мм. Третий барабан конический, так что диаметр цилиндрической части котла с 2134 мм в переднем его конце увеличивается до 2388 мм в заднем. Котёл снабжён 206 дымогарными трубами диаметром 57,3 мм и 50 жаровыми трубами диаметром 140 мм, длина этих труб 7010 мм.

Остов топки состоит из двух цилиндрических клёпаных труб диаметром 660 мм, образующих потолок огневой коробки, кольцевого полого резервуара (грязевое кольцо, составляющее нижнюю обвязку топки, и 96 труб диаметром 102 мм, соединяющих потолочные трубы с грязевым кольцом и образующих боковые стенки топки, по 48 труб с каждой стороны).

Остов водотрубной топки.

Хорошо видны концевые отверстия потолочных труб, закрываемые съёмными крышками и служащие для промывки боковых труб топки.

Потолочные трубы, расположенные одна от другой на расстояини 787 мм между их центрами, имеют полную длину 7162 мм. Они пропущены через заднюю решётку в цилиндрическую часть котла, где продолжены на длину 1670 мм и доведены до начала третьего барабана, с которым, благодаря его конусности, приходили в соприкосновение и приклёпывались в верхней его части.

Такое закрепление потолочных труб противодействует выпучиванию под давлением пара верхней части решётки. Кроме того, для уравновешивания давления пара на задние запорные крышки потолочных труб, передние концы их притянуты длинными анкерными болтами к передней решётке котла.

Полое, отлитое из стали, грязевое кольцо длиной 5537 мм и шириной 2565 мм состоит из трубчатого резервуара, по всему его периметру снабженного ещё двумя сообщающимися трубами – одной продольной по середине и одной поперечной, проходящей на расстоянии 1629 мм от переднего конца топки. Кроме боковых сторон грязевого кольца с потолочными трубами связаны задняя поперечная труба четырьмя 102 мм трубами и средняя поперечная труба кольца – пятью также 102 мм наклонными трубами. Эти последние пять труб служат для поддержания поперечной стенки и свода из огнеупорного материала, разделяющих топку на две камеры.

Грязевое кольцо.

С цилидрической частью котла грязевое кольцо соединено двумя изогнутыми трубами диаметром 229 мм. Все вертикальные трубы в местах соединения с грязевым кольцом развальцованы, а в соединениях с потолочнымн резервуарами, кроме того, ещё и приварены.

С наружной стороны трубчатые боковые стенки огневой коробки обмурованы огнеупорным кирпичём, облицованы плитками и покрыты обшивкой. В потолке топки пространство междy двумя водяными трубами также заполнено огнеупорным материалом.

Обмуровка топки.

Высота топки от верха грязевого кольца до центров потолочных труб 1981 мм, объём топки 19,35 м³, площадь колосниковой решётки 7,66 м². Длина топки 5067 мм, ширина 2438 мм. Длина колосниковой решётки З511 мм, ширина 2184 мм. Поверхности нагрева: огневой коробки – 69,21 м²; жаровых труб – 152,78 м²; дымогарных труб – 257,77 м². Площадь перегревателя 126,10 м².

Усовершенствования в области паровозов направлены на улучшение в них использования тепла, что может быть достигнуто путём повышения давления пара, примерно, до 60 ат (против 14—16 ат).

Для достижения этой цели заводом Henschel в 1925 г. построен паровоз 2—3—0 с котлом двойного давления, причём топка служила в качестве котла высокого давления на 60 ат, с промежуточным подогревом, цилиндрическая часть котла исполнена обычной конструкции на рабочее давление 14 ат.

Топка построена из водяных труб, которые входят своими нижними концами в водяную камеру у обвязочной рамы, а верхними концами – в маленький паросборник. Пар, образующийся в водяных трубках, попадает по восходящим водяным трубкам из паросборника в нагревательные змеевики, которые укреплены вверху котла высокого давления. Здесь пар (с давлением 70—85 ат) отдаёт свою теплоту парообразования питательной воде в котле высокого давления и ниспадает по наружным трубкам как конденсат снова в камеру топочной рамы.

Этим достигается отсутствие накипи в трубчатом котле.

Цилиндрическая часть котла (с рабочим давлением 14 ат) обычной формы.

Пар из котла высокого давления (60 ат) поступает через регулятор высокого давления к перегревателю обычного типа, который расположен в нижней части жаровых труб. Оттуда пар поступает в цилиндр высокого давления внутри рамы. Пар, образующийся в цилиндрической части котла, устремляется также через регулятор в паровом колпаке в перегревательные трубки, которые помещены в верхней части жаровых труб. На пути из коробки пароперегревателя к обоим наружным цилиндрам низкого давлении высоко перегретый пар низкого давления смешивается с паром из цилиндра высокого давления, благодаря этому средняя температура пара, входящего в цилиндры низкого давления, составляет 300—330°С. По окончании рабочего процесса пар из цилиндров низкого давления выходит в трубу через конус.

Для питания котла низкого давления служит насос с подогревателем. В качестве резерва служит обыкновенный инжектор. Котёл высокого давления снабжается водой из котла низкого давления помощью насоса.

Далее имеется также инжектор для котла высокого давления, чтобы питать его из тендера.

Огневая поверхность нагрева топки 19,7 м²; труб – 122,0 м²; полная поверхность нагрева котла 141,7 м²; поверхность перегревателя 90,5 м².

Общество Siemens-Schuckertwerke, заинтересованное в патентах Бензона, решило поставить у себя котёл производительностью 10000 кг пара в час и турбину с рабочим давлением пара 100 ат. Старый котёл Борзига с наклонными трубами на 13 ат давления, имеющими 305 м² поверхности нагрева, был поднят и под ним был установлен котёл Бензона. Это имело целью выяснить возможность применении котла Борзига в виде подогревателя воды и дать возможность использования наличных котлов низкого давления при переходе на пар высокого давления.

Котел Бензона состоит на горизонтальных змеевиков, составленных из коротких, прямых труб диаметром 20/32 мм, соединённых между собой дугообразными трубами, сваренными с ними внахлестку. Котёл поверхносью нагрева 216 м² разделён на три секции: испаритель и два перегревателя. Испаритель расположен над самой топкой; в нём вода нагревается до 370—380°C, смотря по нагрузке котла. Получаемая сильно перегретая вола или слабо перегретый пар критического давления поступает в верхний перегреватель. Из него перегретый до 400°C пар критического давления поступает в редукционный клапан, в котором давление снижается до 100 ат, после чего пар вновь перегревается до 400°C в нижнем перегревателе, в таком виде он поступает в турбину. Таким образом, в этом котле нарушен принцип противотока.

Котёл Бензона на 10000 кг пара.

Котёл Бензона на 10000 кг пара. Разрез A – B.

a – испаритель; b – верхний перегреватель; c – нижний перегреватель; d – перепускные клапаны.

Котёл Бензона на 10000 кг пара. Разрез C – D.

Секции испарителя и нижнего перегревателя занимают по ¹/₅, а верхнего перегревателя – ²/₅ общей поверхности нагрева. Для простоты все три секции состоят из 15 одинаковых змеевиков, составленных, в свою очередь, каждый из трёх отдельных витков, расположенных так, что их впускные и выпускные фланцы находятся друг над другом. Витки эти соединяются между собой последовательно, а в каждой секции отдельные змеевики соединяются параллельно с помощью труб, имеющих внутренний диамиаметр 70 мм с ввинченными и вваренными штуцерами 20 мм внутреннего диаметра. Так как в секциях испарителя и нижнего перегревателя по три, а в секции верхнего перегревателя девять змеевиков, то для прохода воды и пара служат в секциях испарителя и нижнего перегревателя по три, а в секции верхнего перегревателя девять труб.

Змеевик для котла Бензона.

Котёл Бензона с 15 змеевиками.

Все отдельные змеевики лежат свободно в железных подставках, поэтому они могут свободно расширяться. Фланцы свободно навинчиваются на трубы и свинчиваются длинными болтами с пружинными подкладками под гайками; подкладки эти должны сохранять упругость до 450°C.

Благодаря этой конструкции, получается абсолютная плотность соединений труб, несмотря на сильные колебания температуры.

Арматура котла состоит из двух створных клапанов на питательной и паровыпускной трубах, двух предохранительных клапанов на 100 и 230 ат и двух перепускных клапанов для обеспечения одинаковых давлений в секциях испарителя и верхнего перегревателя. Один из них ручной, а другой – автоматический.

Питательный насос высокого давления трёхскальчатый, работает от электромотора постоянного тока. Все три скалки работают параллельно, подавая воду пол давлением 235 ат. Вода поступает в насос из котла Борзига при температуре 180—190°C.

Для непрерывного наблюдения над работой установки имеются следующие приспособления:

1) на питательных трубах обоих котлов Бензона и Борзига поставлены водомеры Вентури;

2) на паропроводе к турбине парометр Вентури;

3) в разных концах котла включены медно-константановые термоэлементы и места эти соединены с манометрами;

4) отдельные ступени турбины соединены с манометрами.

Профессор Леффлер создал совершенно новый тип котлов высокого давления, резко отличающийся от существующих. Котлы Бензона тоже резко отличаются от остальных систем, но в них сохранена основная черта всех паровых котлов: передача тепла пару происходит главным образом в самом котле, а перегреватель и подогреватель воды играют второстепенную роль. Между тем, в котлах Леффлера передача теплоты происходит исключительно в перегревателе и подогревателе воды, а испаритель вынесен из сферы огня, и испарение производится в нём перегретым паром. Как видно из схематического чертежа, перегретый пар частью отводится в общий паропровод, частью поступает в испаритель, где он, проходя через воду, отдает ей свою теплоту перегрева и происходит парообразование; пар проходит через небольшой слой воды, всего в несколько сантиметров, отчего остаётся сухим. Если давление пара 120 ат, а температура перегрева 450°С то теплота перегрева равна 125 кал/кг; если, поэтому, вода подогревается до кипения, то 1 кг перегретого пара может испарить 0,4 кг воды, так как при 120 ат теплота испарения равна 300 кал/кг. Для получения 1 кг рабочего пара нужно прогонять чрез перегреватель 3,5 кг насыщенного пара или, другими словами, из 3,5 кг перегретого пара приходится 2,5 кг отводить обратно в испаритель. Для растопки берут пар из общего паропровода или из специального котла, при этом не требуется пар рабочего давления, а достаточно установить в испарителе любое давление и, действительно, в пробном котле растопка производилась паром в 12 ат, после чего начинался перегрев пара.

Схематический чертёж котла Леффлера.

Котёл состоит из испарителя k, перегревателя пара и, подогревателя воды v и двух насосов s и p. Питательный насос s нагнетает воду через подогреватель в нижнюю часть испарителя. Давление в испарителе всегда несколько ниже, чем в перегревателе, а потому приходится перекачивать пар в последний насосом p.

На Венском паровозостроительном заводе во Флорисдорфе был установлен небольшой пробный котёл производительностью 300 кг пара в час. Давление пара 100—120 ат, а температура перегрева 450—500°C, но временами доходила до 600°C. Из финансовых соображений при котле не установлен двигатель высокого давления, а пар отводился в общий паропровод силовой станции завода, работающей с давлением 12 ат. Скорость насоса для перекачки пара в перегреватель может регулироваться в широких пределах до 230 об/мин в зависимости от изменения нагрузки котла. Испаритель изготовлен по проекту Леффлера в Дюссельдорфе из мартеновской стали по совершенно новому способу; он состоит из тянутой трубы с ввинченными плоскими днищами. Так как испаритель не зависит от топки, то он может быть поставлен в любом месте и не требует высоких подмосток. Во Флорисдорфе он установлен на уровне пола. Испаритель, насос и паропровод тщательно покрыты стеклянной ватой и обмазаны. Топка нефтяная – для возможности точного учёта расхода топлива. Стенки дымоходов вдоль перегревателя сделаны из толстых шамотных плит для лучшего отражения теплоты.

Котёл пущен в ход в декабре 1924 г., а затем подвергся тщательным испытаниям, работая регулярно по 6—9 часов в день. При этом не оказалось никаких затруднений. Трубки перегревателя оказались совершенно чистые, без накипи, а равно не было деформации перегревателя, хотя котёл ежедневно останавливался и перегреватель успевал за ночь остыть. Растопка производилась паром (с давлением 12 ат) из общего паропровода, а дальнейшая растопка до полного рабочего давления длилась 1,5 ч.

Достоинства этой системы парогенерации проверены в многолетней эксплуатационной практике в стационарной силовой установке в Вене (Австрия) и Витковицах (Германия), что и явилось побудительным мотивом к использованию её в качестве локомотивной установки.

В 1936 г. в Германии на заводе Schwartzkopf с котлом этой системы построен трёхцилиндровый паровоз двойного давления (120 и 15 ат) типа      2—3—1. Это первый опыт применения котлов Леффлера в локомотивостроении. До этого паровозы с системой такого типа не строились.

Внешний вид паровоза Schwartzkopf – Леффлера. Фото из книги Ф. Я. Славгородского.

Особенностью системы являются, во-первых, генерация пара в бестопочном котле – так называемом котле-испарителе и, во-вторых, принудительная циркуляция пара высокого давления по двум параллельным замкнутым контурам.

Установка состоит из

– котла-испарителя высокого давления;

Котёл-испаритель со снятой крышкой лаза. Фото из книги

Ф. Я. Славгородского.

– топочной камеры, образуемой так называемой первой системой пароперегревательных трубок небольшого диаметра, присоединённых к горизонтальным коллекторам, располагаемым по обеим сторонам топки; в этой системе происходит первая стадия перегрева;

– второй системы такого же диаметра пароперегревательных трубок, устанавливаемой впереди первой и последовательно с ней соединённой; в ней происходит вторая стадия перегрева пара;

– промежуточного пароперегревателя низкого давления – 15,5 ат;

– водоподогревателя высокого давления;

– воздухоподогревателя, обеспечивающего подогрев поступающего в топку воздуха до 150°C;

– котла-теплобменника, в котором происходит подогрев поступающей из тендера воды, а также генерация пара низкого давления за счёт использования теплоты отработавшего пара высокого давления;

– водопитательных и пароциркуляционных насосов;

Паровой циркуляционный насос. Фото из книги Ф. Я. Славгородского.

– прочего оборудования и аппаратуры (маслоотделителя, пеноотделителя, турбогенератора и т. д.).

Принципиальная схема паровозной котельной установки

системы Леффлера. Фото из книги Ф. Я. Славгородского.

Генерируемый в котле-испарителе Е пар давлением 120 am нагнетается насосом F в трубчатую пароперегревательную систему A, омываемую топочными газами. Перегревшись здесь до температуры примерно 500°С, пар уходит далее и разветвляется – частично (примерно 25%) идёт в цилиндры высокого давления J, L , а остальная часть – в котёл-испаритель. Отработав в цилиндрах высокого давления, пар под давлением примерно 18 am проходит через маслоотделитель и поступает в трубчатую систему котла-теплообменника H. Отдав свою теплоту воде котла-теплообменника (которая превращается в пар давлением 15,5 am), пар конденсируется, после чего стекает в коллектор и питательным насосом G подаётся в котёл-испаритель, предварительно пройдя через водоподогреватель высокого давления С. Ответвившаяся часть пара (примерно 75%) поступает в воду котла-испарителя (через погружённую трубку с отверстиями) и отдаёт своё тепло на её испарение при давлении 120 am. Этот пар перекачивается циркуляционным насосом F вновь в пароперегревательную систему, и цикл повторяется снова. Потеря воды от утечек в контуре высокого давления пополняется за счёт воды из котла-теплообменника при помощи перепускного насоса. Генерируемый в котле-теплобменнике пар под давлением 15,5 am идёт в перегреватель B, перегревается там за счёт топочных газов (омывающих последовательно пароперегреватель высокого давления А, перегреватель В, водоподогреватель высокого давления С и воздухоподогреватель D) до температуры 300°С, проходит в цилиндр низкого давления К и, отработав, уходит через конус в атмосферу, создавая тягу в топочном пространстве. 

Подготовка паровоза к работе резко отличается от обычной и происходит в следующем порядке.

Готовый пар обычного низкого давления (от находящегося под паром паровоза или из магистрального паропровода в депо) подаётся в котёл-испаритель, а также в цилиндры циркуляционного насосного агрегата. Последний начинает перекачивать пар из котла-испарителя по замкнутому контуру в котёл-теплообменник, где начинает испарять за счёт своего тепла воду. После того как давление пара в котле-теплообменнике достигнет 15,5 ат, подвод пара извне к насосу прекращается, и циркуляционный насос продолжает работать уже своим паром; одновременно в топке разводится огонь. Через определённый промежуток времени, когда давление пара в трубчатой системе доводится за счёт топочных газов до 120 ат, подвод пара извне в котёл-испаритель прекращается, и система начинает работать по нормальному циклу.

В случае отсутствия готового пара «растопка» котла может быть осуществлена вспомогательной нагревательной установкой, при помощи которой подогревается вода в котле-теплообменнике, и полученным таким образом паром низкого давления «заряжают» котёл-испаритель. После этого разводится огонь в топочной камере и система переводится на работу по нормальному циклу.

При непродолжительных стоянках (например, в оборотном депо) давление пара в котле-испарителе обычно бывает вполне достаточным для «растопки» котла своим паром без подвода его извне.

Мощность, затрачиваемая на работу циркуляционных насосов в замкнутом контуре высокого давления, составляет примерно 2% от мощности, развиваемой локомотивом.

Наличие в пapoгенераторной системе Леффлера двух контуров (высокого и низкого давления), по мнению самого Леффлера, не обязательно, и в данной схеме они приняты как некоторая страховка от возможного накипеобразовання в элементах и частях контура низкого давления. Леффлер считал, что при столь высокой скорости циркуляции воды через водоподогреватель высокого давления осаждение котельного камня в барабане котла-испарителя мало вероятно и что если бы оно даже имело место, то особо вредных последствий от этого не было бы, поскольку топочные газы совершенно не соприкасаются со стенками барабана котла-испарителя. Представляется поэтому возможность значительно упростить тепловую схему парогенераторной установки за счёт упразднения котла-теплообменника, промежуточного пароперегреватсля и прочего относящегося к ним оборудования и устройств. В этом случае отработавший в цилиндрах высокого давления пар можно было бы направлять в цилиндры низкого давления, предварительно пропустив его через маслоотделитель.

Предполагалось, что значительное усложнение конструкции стандартного паровоза не должно вызвать особого повышения в расходах по содержанию и ремонту котельной установки, во-первых, потому, что вся трубчатая система выполнена из прямых трубок, и, во-вторых, наиболее дорогая часть установки – котёл-испаритель высокого давления никакого ремонта вообще не требует.

В отношении степени безопасности котельная установка системы Леффлера, по мнению её автора, не только не уступает стандартному котлу, но в известном отношении даёт больше гарантий. Во-первых, трубчатые системы обоих контуров выполнены из трубок малого диаметра – тем самым сводятся до минимума разрушительные последствия взрыва, если бы таковой произошёл, во-вторых,  стенки бестопочного котла-испарителя, как не имеющие трубочных соединений, гарантируют большую его прочность.

Конденсаторы. Для более полного использования теплоперепада в турбине, экономии воды, а в некоторых случаях и топлива на паротурбовозах целесообразно применять конденсацию пара. Существуют смешивающая и поверхностная системы конденсации. На паротурбовозах смешивающая система трудно осуществима из-за громадного запаса охлаждающей воды, которую требуется возить с собой. Поэтому на локомотивах применяется поверхностная конденсация. При этом отработавший в турбине пар охлаждается воздухом или водой. В последнем случае происходит циркуляция охлаждающей воды, которая после нагревания отработавшим паром охлаждается в холодильнике; при этом образующийся из пара конденсат служит для питания котла.

Значительные сопротивления передаче тепла оказывает слой жидкого конденсата, обволакивающего охлаждающие трубки ввиду плохой теплопроводности охлаждающей воды.

Стремление удалить этот слой привело французского конструктора Жинабá к идее изменённого расположения трубок в противоположность обычному (шахматному) расположению. При расположении Жинабá падающие капли конденсата обтекают лишь часть поверхности трубок, отчего уменьшается сопротивление прохождению тепла. В системе Жинабá стекающий конденсат омывает лишь четвёртую часть окружности трубок, так что пар встречает на своём пути чистую металлическую охлаждающую поверхность, что существенно улучшает условия теплопередачи и конденсации. Система Жинабá позволяет сократить охлаждающую поверхность на 20—35%. Усовершенствованная система Жинабá изготавливалась заводом Balcke.

Конденсатор Жинабá производительностью 16000 кг пара в час.

Здесь обращает на себя внимание малое количество трубок, объясняемое их большим тепловым напряжением.

Обычно принято разделять ток воды на две или три последовательно соединённые секции. Этим достигается увеличение скорости воды и создаются благоприятные условия охлаждения пара и воздуха, попадающего в конденсат вместе с паром (воздух охлаждается наиболее интенсивно в нижней части, откуда производится его отвод).

Последовательно соединённые секции конденсатора.

Обыкновенные формы конденсаторов круглого и овального сечения не являются удовлетворительными, так как не осуществляют необходимого для получения большой скорости воздуха быстрого сокращения сечений. С этой точки зрения заслуживают внимания конденсаторы треугольной формы, нашедшие большое распространение в турбинных установках.

Конденсатор треугольной формы.

Для предохранения конденсата от чрезмерного охлаждения нижняя часть трубчатой охлаждающей батареи отделяется щитом, по которому конденсат стекает непосредственно к месту его отвода. В то же время воздух проходит через отдельную часть трубчатой батареи и интенсивно в ней охлаждается. С целью быстрого стока конденсата и получения наибольших скоростей воздуха в конденсаторах устанавливают иногда направляющие щиты.

Наконец, существуют системы, в которых сток конденсата производится секционно таким образом, что сконденсированный на верхних элементах пар стекает вниз, не соприкасаясь вовсе с остальной частью трубчатой батареи.

Конденсаторы с направляющими щитами (слева) и секционным стоком конденсата (справа).

В системе Contraflo впуск пара устроен таким образом, что пар при входе распространяется по всей окружности холодильника, встречая сразу исключительно большую охлаждающую поверхность. Трубки конденсатора расположены таким образом, что живое сечение их для прохода воздуха по направлению к концу конденсатора непрерывно уменьшается. Для направления воздуха внутри конденсатора установлены направляющие щиты, расположенные так, чтобы они оказывали наименьшее сопротивление протеканию воздуха и пара. Конденсируемый пар падает в виде дождя на перегородки, по которым стекает вниз без значительного переохлаждения.

Конденсатор Contraflo.

Конденсатор системы Парсонса осуществляет одну из форм так называемых регенеративных конденсаторов. В этом случае в средней части конденсатора устроен свободный проход, по которому пар достигает беспрепятственно нижней части холодильника и только после этого, поднимаясь по бокам вверх, встречает охлаждающую поверхность. Таким образом течение пара имеет здесь обратный характер по отношению к обычно принятому. Охлаждающая же вода поступает сперва в верхние трубки и затем в нижние.

Вследствие такого расположения стекающий вниз конденсат встречает восходящий поток тёплого пара и, достигнув дна холодильника, нагревается до теоретически наивысшей возможной температуры. С другой стороны, воздух, забираемый у наивысшей точки конденсатора, принимает наинизшую возможную температуру, почти равную температуре охлаждающей воды.

Конденсатор Парсонса.

Конструкция регенеративного конденсатора Вира.

Пар поступает свободно вниз через средний свободный проход С и затем поднимается вверх вдоль внутренней перегородки D до точки Е, где забирается воздух. Стекающий вниз конденсат встречает поток пара и нагревается последним. Конденсат отбирается в нижней части у патрубка F, охлаждающая же вода входит через патрубок G.

Особенностью конденсатора Brown Boveri является разделение его продольной диаметральной перегородкой на две части. Каждая из них может быть вскрыта во время работы для очистки или уплотнения трубок. Завод гарантирует увеличение теплопередачи по сравнению с обычными конструкциями на 20—30% и повышение температуры конденсата на 5—8° при температуре воздуха, почти равной температуре охлаждющей воды.

Конденсатор завода Brown Boveri. Разрез по передней водяной камере (слева) и по паровой полости конденсатора (справа).

Охлаждающая вода поступает снизу в наружные трубки и выходит вверх, проходя в обратном направлении внутренние ряды трубок. Пар вступает в среднюю часть конденсатора сверху и по свободному каналу проходит внутрь, откуда распространяется по горизонтальному направлению вправо и влево. Осадившийся на трубках конденсат стекает вниз, встречая на пути почти одинаковую температуру трубок и тёплого пара, чем также осуществляется принцип регенеративного нагрева.

Общий вид конденсатора Brown Boveri с одной открытой половиной.

Для удаления из холодильника воздуха и конденсата применяются две основные системы насосов: так называемые мокровоздушные насосы и отдельные насосы для конденсата и воздуха (последние называют сухими).

Насосы первой системы откачивают одновременно воздух и конденсат, стекающий к всасывающим клапанам, располагаемым настолько низко, чтобы клапаны были совершенно залиты водой (что необходимо ввиду плохой всасывающей способности насосов при низких давлениях).

Насос Эдвардса имеет лишь нагнетательные клапаны. Вместо всасывающих клапанов в нижней части цилиндра насоса устроены окна, через которые при нижнем положении поршня цилиндр наполняется как воздухом, так и конденсатом.

Насосы Эдвардса строятся как приводные от главной машины, так и с самостоятельными паровыми двигателями, снабжёнными достаточно тяжёлыми маховиками.

Насосы Эдвардса с самостоятельными двигателями строятся на частоту вращения 200—300 об/мин. В этих насосах должна быть предусмотрена возможность сообщения обеих полостей, что необходимо во избежание слишком тяжёлого хода в начальный период работы, когда в холодильнике находится большое количество воды.

Насос Эдвардса.

Дуаль-помпа Вира применяется в крупных установках, требующих повышенного вакуума, и является отдельной от главной машины. Она состоит из двух цилиндров, оба насосных поршня имеют взаимно противоположное движение.

Насос Вира.

Один из цилиндров А служит сухим насосом и откачивает насыщенный паром воздух, а второй В служит мокровоздушным насосом.

Преимуществом насоса Вира служит раздельный забор воздуха и конденсата при выгодных температурах с избежанием чрезмерного переохлаждения конденсата.

Для паровых установок, требующих повышенного вакуума, для удаления воздуха, применяются системы так называемых пароструйных или эжекторных воздушных насосов.

Пароструйный насос с промежуточным конденсатором.

Насыщенный паром воздух отводится из главного конденсатора С по трубе В и проникает к смешивающей камере эжектора А₁. В ту же камеру через расширяющееся сопло поступает свежий пар (через трубку М), достигающий при выходе из сопла давления холодильника и высокой скорости. Далее, смешиваясь с поступающей через трубку В паровоздушной смесью, общая масса воздуха и пара удаляется через сопло или диффузор п, в котором происходит сжатие смеси, сопровождаемое повышением давления примерно до 0,2 ата. Смесь поступает при этом давлении в промежуточный конденсатор D, охлаждающей водой для которого служит конденсат главного холодильника (последний откачивается через патрубок К особым центробежным конденсационным насосом). В холодильнике бо`льшая часть пара осаждается, и образованный таким образом конденсат поступает по трубе Е обратно в главный холодильник. Уровень воды в трубке Е, обозначенный на эскизе высотой h, определяется разностью давлений в промежуточном и главном конденсаторах. Сжатая до промежуточного давления паровоздушная смесь засасывается через трубку О вторым паровым эжектором A₂ и окончательно поступает во второй промежуточный холодильник G, в котором поддерживается атмосферное давление. Этот второй холодильник охлаждается также конденсатом главного холодильника, поступающим через трубку N₁ и удаляемым в тёплый ящик через трубку N₂; доведенный же до атмосферного давления воздух удаляется наружу через атмосферную трубку Н. В приведенной схеме теплота пара, расходуемого на эжекторе используется для подогрева конденсата, что делает всю установку весьма экономичной.

Двухступенчатый эжектор с промежуточным конденсатором.

Конструкция двухступенчатого эжектора с промежуточным

конденсатором системы Balcke.

Комплект конденсационной установки завода Balcke с пароструйными эжекторами и промежуточным конденсатором.

В нижней части под главным холодильником виден центробежный конденсационный насос.

Эжектор без промежуточного конденсатора.

Пароструйные эжекторы применяются двухступенчатого типа, без промежуточного конденсатора, либо с последним. В эжекторе без промежуточного конденсатора вторичное сопло образовано кольцевой щелью между обоими диффузорами. Первый диффузор не имеет расширения, т. к. остающаяся неиспользованной в нём энергия пара используется в следующем, втором, диффузоре.

Кольцевая щель вторичного сопла может регулироваться при сборке эжектора постановкой прокладок.

Из современных систем следует отметить пароэжекторные вакуумные насосы (ПЭВН) Научно-производственного объединения «Энергомашавтоматика», поддерживающие относительно глубокий вакуум (0,5 – 5,0 мм рт. ст.). Они имеют обычно от четырёх до шести газоструйных аппаратов (ступеней), включенных последовательно по эжектируемой парогазовой смеси. Для снижения суммарного расхода рабочего пара на ПЭВН за струйным аппаратом устанавливается теплообменник-конденсатор, в котором бóльшая часть расхода пара, выходящего из этого струйного аппарата, конденсируется и благодаря этому к струйному аппарату следующей ступени поступает меньший расход эжектируемой (пассивной) парогазовой смеси; соответственно, на её сжатие тратиться меньше рабочего пара.

В зависимости от условий работы ПЭВН его теплообменники-конденсаторы могут быть различного типа. Часто в эжектируемой смеси находятся вещества, которые могут загрязнять охлаждающую воду, циркулирующую через теплообменники-конденсаторы, и ПЭВН целесообразно комплектовать кожухотрубными теплообменниками-конденсаторами. Когда в составе эжектируемой смеси нет загрязняющих веществ, ПЭВН могут оснащаться смешивающими теплообменниками-конденсаторами или водогазовым струйным аппаратом. Причём в последнем случае водогазовый струйный аппарат заменяет как все смешивающие теплообменники-конденсаторы, так и три последних струйных аппарата.

ПЭВН с кожухотрубными теплообменниками-конденсаторами значительно сложнее и дороже, чем ПЭВН со смешивающими теплообменниками-конденсаторами или водогазовым струйным аппаратом. Однако использование такого типа ПЭВН позволяет исключить необходимость очистки (требуемой в случае использования ПЭВН со смешивающими теплообменниками-конденсаторами) большого количества загрязнённой воды.

Пароэжекторный вакуумный насос НПО «Энергомашавтоматика».

В качастве холодильных машин в вакуумных системах конденсации используются абсорбционные холодильные установки. Широкое распространение получили водоаммиачные холодильные машины, но для размещения на турбовозе они слишком велики из-за больших размеров ректификатора. Для турбовозов более подходят бромистолитиевые абсорбционные холодильники.

Принцип действия абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (АБХМ) основан на способности водного раствора бромистого лития поглощать (абсорбировать) более холодные водяные пары с выделением теплоты. Процессы, происходящие в машине, имеют следующие особенности:

– холодильным агентом является вода, поглотителем бромистый литий, поэтому получение холодильного действия связано с работой под глубоким вакуумом;

– холодильный агент и поглотитель несоиспаримы, поэтому процессы в конденсаторе и испарителе осуществляются чистым водяным паром и водой;

– концентрация раствора определяется не по холодильному агенту, а по бромистому литию.

Охлаждаемая вода поступает в трубное пространство испарителя, где охлаждается до необходимой температуры за счёт испарения хладагента – воды, стекающей в виде плёнки по наружным поверхностям труб испарителя. Для орошения трубного пучка испарителя используется циркуляционный насос хладагента.

Водяной пар с температурой 2—4°С из испарителя поступает в межтрубное пространство абсорбера, где поглощается в нём крепким (концентрированным) водным раствором бромистого лития, стекающего в виде плёнки по поверхностям труб. Теплота, выделяемая при абсорбции пара, отводится охлаждающей водой, протекающей в трубках абсорбера.

Поглощая пар хладагента, крепкий раствор бромистого лития становится слабым – его концентрация снижается. Слабый раствор стекает в поддон абсорбера, откуда насосом подаётся в трубное пространство растворного теплообменника.

После подогрева в теплообменнике слабый раствор поступает в межтрубное пространство генератора. В генераторе слабый раствор бромистого лития упаривается за счёт теплоты греющей среды, поступающей в трубное пространство генератора.

Упаренный (крепкий) раствор из генератора поступает в межтрубное пространство регенеративного теплообменника, где охлаждается слабым раствором и далее направляется на орошение абсорбера.

С помощью насоса слабый раствор из абсорбера через теплообменник растворов подаётся в генератор, где в результате нагрева происходит процесс десорбции – разделение раствора с выделением водяного пара.

Образующийся в генераторе водяной пар поступает в конденсатор, где конденсируется на внешней поверхности теплообменных труб. В конденсаторе за счёт охлаждения водой происходит сжижение водяного пара и конденсат пара (хладагент) через регулирующий вентиль (гидрозатвор) поступает в испаритель.  Теплота конденсации водяного пара отводится охлаждающей водой, протекающей через трубы конденсатора.

Схема абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины.

1 – генератор; 2 – абсорбер; 3 – теплообменник; 4 – конденсатор; 5 – испаритель; 6 – насос.

При снижении давления из распылённого потока воды в испарителе происходит испарение части её массы, за счёт чего охлаждается остальная часть, которая, в свою очередь, охлаждает промежуточный хладоноситель.

Отличительные особенности рабочей схемы от теоретической заключаются в следующем:

– в рабочей схеме и действительном цикле учитывается влияние глубокого вакуума, который устанавливается в аппаратах; глубокий вакуум усиливает влияние гидростатического давления столба жидкости, характерного для аппаратов затопленного типа; давление кипения и абсорбции при этом переменны по высоте аппарата, в связи с чем наблюдается недовыпаривание в генераторе и недонасыщение раствора в абсорбере;

– получение холодильного действия при использовании в качестве холодильного агента воды связано с большими объёмами пара, переходящего из одного аппарата в другой, что обуславливает большие потери давления на преодоление гидравлического сопротивления соединяющих трубопроводов;

– в действительной холодильной машине наблюдаются потери тепла в окружающую среду.

Перечисленные выше отличительные особенности определяют конструктивное решение рабочей схемы бромистолитиевой абсорбционной холодильной машины.

Рабочая схема абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с аппаратами затопленного типа.

1 – генератор-конденсатор; 2 – испаритель-абсорбер; 3 – теплообменник растворов; 4, 5, 6 – насосы.

Для уменьшения влияния гидравлического сопротивления соединительных трубопроводов аппараты холодильной машины попарно объединены в одном корпусе: генератор с конденсатором, абсорбер с испарителем.

При кипении раствора в генераторе влияние гидростатического давления столба жидкости сохраняется, поэтому наблюдается недовыпаривание.

Наличие конечной скорости абсорбции, ограничения поверхности и времени контакта фаз в абсорбере обуславливают недонасыщение.

Предельное значение концентрации крепкого раствора – 64%. При бóльших значениях концентрации начинается кристаллизация бромистого лития.

Абсорбционная холодильная машина представляет собой сложную термодинамическую систему, состоящую из контуров раствора и хладагента.

Наиболее сложным является контур раствора. В АБХМ этот контур состоит из абсорбера, рекуперативного теплообменника и генератора.

В ряде абсорбционных бромистолитиевых машин, разработанных ВНИИ Холодмаш, применены совмещённые абсорбер и генератор.

В холодильной машине АБХМ-6000 использованы совмещённый генератор и раздельный абсорбер на базе кожухотрубных аппаратов.

При образовании циклов из раздельных процессов для их осуществления можно применить более эффективные пластинчатые теплообменные аппараты с меньшими массогабаритными показателями, чем у кожухотрубных.

Холодильная машина АБХМ-П-10 ООО «ОКБ Теплосибмаш» с паровым обогревом имеет компактную моноблочную конструкцию. Теплообменные поверхности аппаратов выполнены в виде горизонтальных пучков тонкостенных труб. Теплообменные трубы выполняются из нержавеющих сталей или медно-никелевых сплавов. Каплеотделители, оросительные устройства, изготавливаются из нержавеющих сталей. Материал корпусных элементов – качественная углеродистая сталь.

Паровая турбина. Конструктивные формы паровых турбин представляют большей частью смешанные системы; они проектируются со стороны высокого давления как парциальные активные турбины с дисковыми рабочими колёсами, лопатками, одной или многими ступенями давления и двумя (реже тремя) ступенями скорости в каждой ступени давления; со стороны низкого давления – как четырёхступенчатые реактивные турбины или как полные активные турбины со многими ступенями давления (без ступеней скорости).

Турбина Лаваля представляет активную турбину с одной ступенью скорости; осевой удар паровой струи происходит на некоторой части окружности турбинного колеса через одну или несколько уширяющихся лопаток.

Обуславливаемая значительной скоростью пара большая частота вращения приводится до надлежащей величины при помощи зубчатой передачи, состоящей из широких зубчатых колёс малого шага с угловыми зубьями.

Турбинное колесо из никелевой стали имеет форму диска равного сопротивления; в ободе диска вырезаны гнёзда, в которые вставляются цилиндрические утолщения лопаток; последние на свободном своём конце имеют выступы, образующее сомкнутое кольцо для уменьшения сопротивления движению. Рабочий вал часто привинчивается с обеих сторон диска для избежания в нём центрального отверстия, значительно уменьшающего прочность диска. Подшипники находятся на большом расстоянии друг от друга. Это сделано для того, чтобы вал при надлежащем своём изгибе вместе с колесом мог принять положение свободной оси, когда критическая скорость будет превзойдена. Зубчатая передача, окружённая масляной ванной, изготавливается из тягучей стали. Имеются два передаточных вала, каждый на ¹/₂ полной мощности турбины; этим избегается односторонняя нагрузка малого колеса. Центральным смазочным аппаратом достигается незначительный расход масла.

Устройство турбины Лаваля немецкого завода Humboldt в Кальке у г. Кёльн.

В левом верхнем углу показаны гнёзда со вставленными цилиндрическими утолщениями лопаток.

Регулирование достигается при помощи чрезвычайно чувствительного центробежного регулятора, насаженного на передаточном валу и действующего непосредственно на паровпускной вентиль турбины. У турбин с охлаждением пара регулятор действует одновременно на клапан, служащий для уменьшения вакуума при работе турбины вхолостую или под слабой нагрузкой, ибо, в противном случае, происходит значительное увеличение частоты вращения (при больших центральных конденсациях ставится особый регулирующий вентиль). При снабжении турбины несколькими паровыми наконечниками, в зависимости от нагрузки турбины, некоторые наконечники могут быть выключаемы от руки; при малых нагрузках тогда нет необходимости сминать пар перед его входом в турбину.

Турбина Парсонса – реактивная турбина, представляющая полную осевую турбину с большим числом ступеней давления.

Турбина Парсонса.

С левой стороны вверху установлены уравновешивающие поршни.

Лопатки турбинного колеса изготавливаются из бронзы, вставляются при помощи зачеканенных прокладок в особые канавки, выточенные на поверхности стального цилиндрического барабана и иногда ещё скрепляются на концах спаянным кольцом, вставляемым в вырезки лопаток. Направляющие лопатки вставлены на внутренней поверхности барабана, образующего как бы кожух турбинного цилиндра. В виду необходимости, по мере увеличения объёма пара при его расширении, увеличивать и сечения для его прохода, длина лопаток и диаметр барабана изменяются; диаметры барабана, в виду простоты изготовления, изменяются ступенями. Большое число ступеней и обуславливаемое этим различное давление с обеих сторон направляющего и турбинного колёс, вызывает необходимость по возможности уменьшать разность давлений и делать зазоры (щели) малыми; этим уменьшаются потери в зазорах. Барабан разрезан пополам в горизонтальной плоскости и поверхности разреза пришлифованы. Для уравновешивания осевого давления на турбинное колесо устанавливаются уравновешивающие поршни количеством соответственно числу ступеней и диаметры которых соответствуют диаметрам турбинных колёс. Уравновешивающие поршни подвержены давлению пара и снабжены лабиринтной набивкой (кроме того для точной установки применяется гребенчатый подшипник).

Подшипники, устанавливаемые снаружи барабана и непосредственно связанные с последним в мощных турбинах, устанавливаются по типу подшипников Селлерса. В подшипниках смазка циркулирует при помощи насоса.

Регулирование хода достигается тем, что пар подводится в турбине не непрерывно, а через более или менее длинные промежутки времени; этим избегается сминание пара при его прохождении через паровпускной клапан и турбинное колесо всегда подвергается полному давлению пара. Уравновешенный регулирующий паровпускной в турбину вентиль запирается давлением пружины и приподнимается от давления пара на расположенный над вентилем поршень; ход последнего регулируется от уравновешенного цилиндрического золотника, приводимого в движение от регулирующего прибора. При достижении требуемой частоты вращения паровпускной клапан закрывается особым регулятором. В случае перегрузки свежий пар может быть подведён в дальнейшие ступени при помощи особого ручного клапана.

Турбина Цёлли представляет активную турбину с относительно малым числом ступеней давления. Действие пара осевое при помощи направляющих колёс, – причём турбина для ступеней высокого давления – парциальная, а для ступеней низкого давления – полная.

Ступени высокого и низкого давления располагаются в общем барабане, разделённом горизонтальной плоскостью. Плотность вала достигается при помощи металлической набивки Швабе.

Подшипники неподвижны на одной общей основной плите; их положение не зависит от степени расширения барабана; смазка при помощи масла, подаваемого насосами. Для гарантии неизменяемости положения вала, на одном его конце устанавливается гребенчатый подшипник.

Турбина Цёлли.

В особо обточенном ободе, при помощи прикреплённого к нему зажимного кольца, получается непрерывная канавка, в которую вставляются с промежуточными прокладками относительно длинные лопатки из никелевой стали; сечение лопаток кнаружи уменьшается (форма равного сопротивления), так что, несмотря на высокую скорость вращения, напряжение в лопатках малое.

Лопатки турбины Цёлли.

Каждое направляющее колесо состоит из горизонтально разрезанного по диаметру и плотно вставленного в кожух кольца b литого стального диска с, также горизонтально разрезанного по диаметру; ступица диска с надета на ступицу турбинного колеса и имеет на внутренней поверхности выточенные лабиринтные кольца. Направляющие лопатки а, прессованные из листов никелевой стали, своими выступами d вставляются в соответствующие вырезы е направляющего колеса, где укрепляются при помощи привинченных колец f.

Регулировка производится дроссельным клапаном, который устанавливается поршнем при помощи давления масла в цилиндре. Распределительный золотник этого цилиндра переставляется от регулятора и снова приводится поршнем в среднее положение при соответствующем положении дроссельного клапана, в зависимости от положения регулятора. При помощи особого парового клапана можно, как и в турбине Парсонса, достичь перегрузки турбины, на 20%. Для устранения возможности внезапного быстрого увеличения частоты вращения сверх наибольшего допускаемого значения имеется особый быстро запирающий клапан, который в этом случае приводится в действие особым предохранительным регулятором, прекращая доступ пара к турбине.

Выгоды турбин этого типа состоят в том, что они допускают небольшое число ступеней расширения благодаря хорошей конструкции турбинных колёс при незначительном напряжении частей; в экономном расходовании пара, также и при малых нагрузках; в возможности допущения у активных турбин больших зазоров (щелей) без потерь пара на пропускание; в избежании уравновешивающих поршней, в устранении опасности от удара лопаток при внезапном изменении перегрева пара и более быстром нагревании колёс перед пуском в ход.

Турбина Рато отличается от турбины Цёлли, кроме деталей, главным образом, большим числом ступеней в зависимости от конструкции турбинного колеса; действие пара такое же, как и в турбине Цёлли.

Турбинные колеса штампованы из сплошных стальных дисков с отогнутыми бортами; к центру диска приклёпывается ступица, а к окружности приклёпываются изогнутые по цилиндру лопатки из бронзовых или стальных листов; к лопаткам снаружи приклёпано кольцо. Конструкция очень легка.

Направляющие колёса, состоящие из двух частей, чугунные или стальные, вставляются плотно в разрезанный горизонтальной плоскостью на две половины барабан и плотно надеты с незначительной игрой на ступицу турбинного колеса. Диски направляющих колёс покрыты с обеих сторон металлическими листами, в промежутке между которыми у обода колеса вставляются направляющие лопатки и удерживаются снаружи особым кольцом. Полное действие пара со стороны ступеней низкого давления, а парциальное – со стороны высокого давления. Вал проходит сквозь барабан через посредство металлических сальников с особыми паровыми камерами, в которых автоматически поддерживается определённое давление пара. У мощных турбин часто ставятся три подшипника (особые барабаны для высокого и низкого давления). Подшипники с кольцевой смазкой и охлаждением водой.

Турбина Кёртиса – тип, из которого вытекает выгода применения смешанных систем, особенно по отношению к расходу пара. Рабочим колёсам высокого давления придаётся скорость на окружности до 180 м/с. Рабочий пар выходит из круглых наконечников (система Ридлер – Штумпф), выходное отверстие которых прессовано в четырёхугольную призму; две ступени скорости или вторая ступень давления с двумя ступенями скорости или несколько ступеней давления (без ступеней скорости) со стороны низкого давления.

Регулирование турбин при помощи дроссельных регуляторов и ручных вентилей у наконечников. Последние могут комбинироваться в группы. Допускают наибольшие температуры перегрева пара.

Турбина Кёртиса с двумя ступенями скорости.

Турбина Кёртиса со ступенью скорости и ступенями давления.

Мощная турбина системы Мельмс и Пфеннингер со многими ступенями давления и парциальным действием со стороны высокого давления.

Внизу показаны лопатки турбины.

Турбина Зульцера.

В паровой турбине системы Мельмс и Пфеннингер часть для высокого давления представляет парциальную активную турбину; части для среднего и низкого давления представляют полную реактивную турбину; обе части соединены при помощи вращающегося барабана; уравновешивание реактивной части турбины имеет место у перехода активной турбины в реактивную, из-за чего уравновешивающие поршни являются излишними.

Барабан вполне симметричен и свободен на одном конце. Главный запорный паровой вентиль расположен под барабаном и при помощи паровых труб соединяется с двумя вентилями, расположенными вверху.

Лопатки (никелевая сталь) изготавливаются из прокатных и протянутых полос, разрезанных на отрезки требуемой длины; они вставляются в гнёзда особого основного кольца и на наружных концах удерживаются приклёпанным кольцом, которое для этой цели специально профилировано в форме двух рёбер, образуя отдельные группы в виде сегментов; сегменты вставляются в выточенные канавки барабана, где удерживаются кольцом.

Регулированиe производится при помощи плоского осевого регулятора, который изменяет эксцентриситет эксцентрика, действующего на колебания двухседалищного клапана.

Паровая турбина Зульцера – активная парциальная турбина на стороне высокого давления и полная реактивная турбина на другой стороне, низкого давления. У первой прямоугольные наконечники, расположенные вплотную друг возле друга. Наконечники управляются от одного регулирующего двухседалищного дроссельного клапана, соединённого с регулятором. Осевое давление со стороны реактивной турбины воспринимается уравновешивающим диском под давлением масла; для этой цели установлен особый насос.

Набивка сальников достигается при помощи большого числа пружинящих и плотно прилегающих к валу дисков кольцеобразной формы. Подшипники покоятся на шаровых поверхностях и могут быть устанавливаемы по высоте. Турбина может быть пущена в ход лишь тогда, когда прибор для нагнетания смазки будет в действии.

Зубчатая передача. Передача состоит из реверс-редуктора и, в ряде конструкций, валопроводов и силовой передачи тележек. В некоторых выполненных конструкциях паротурбовозов валопроводы и силовые передачи тележек отсутствуют, как и сами тележки. Вращающий момент на движущие колёса передаётся в этом случае шестернями или посредством отбойного вала.

Устройство одноступенчатой зубчатой передачи.

В крышке расположены корпуса 15 подшипников шестерён; каждая шестерня 13 имеет свою крышку; носовой конец вала колеса и задние концы шестерён также закрыты торцевыми крышками. Нижняя часть колеса закрыта сварным стальным поддоном 21, прикрепленным к корпусу. Большое зубчатое колесо передачи сборной конструкции. Вал 1 (6 – рёбра, 10 – отверстие) колеса, лежащий в опорных подшипниках 8, – пустотелый с кольцевыми выступами на утолщённой части. К выступам при помощи болтов крепят диски 5, имеющие три – четыре симметрично расположенных круглых выреза для облегчения и удобства сборки колеса. К дискам при помощи болтов крепят ободы 3, на наружной поверхности которых нарезаны зубья. Для обеспечения необходимой прочности и жёсткости колеса ободы скреплены вставным литым барабаном 4. На заднем конце вала колеса имеются откованные заодно с ним фланец 11, предназначенный для соединения вала колеса с валопроводом, и упорный гребень 12, располагающийся в главном упорном подшипнике. Два основных опорных подшипника 8 и третий вспомогательный опорный подшипник 9, расположенный за упорным подшипником, воспринимают вес зубчатого колеса и радиальные усилия, возникающие при работе турбозубчатого агрегата. Опорные подшипники имеют вкладыши 7, изготовленные из двух половин и залитые по рабочей поверхности баббитом. Масло к подшипникам вала колеса подводится через кольцевые каналы 2, а затем по специальным трубкам, вставленным в отверстия 19, подаётся к подшипникам 15 валов шестерён. Зубья колеса осматривают через окна 17, а зубья шестерён – через окно 14 и отверстия крышки 16. Отверстия 18 позволяют наблюдать за подачей масла. В современных зубчатых передачах как корпуса, так и большие зубчатые колёса имеют, как правило, сварную конструкцию.

Турбозубчатый агрегат.

Паровая турбина, соединённая с зубчатым редуктором, используется в качестве главного двигателя, а также как привод насосов и других механизмов большой мощности. Турбины, как правило, выполняются по многоступенчатой схеме. В таком случае различают турбину высокого давления и турбину низкого давления. В общем случае турбозубчатый агрегат работает следующим образом: пар поступает на управляющие клапаны 7 и 8, которые регулируют мощность турбины высокого 1 и низкого 2 давления. Так как частота вращения турбин очень велика, они соединены с ведущими колёсами через редуктор 4, который понижает частоту вращения и одновременно увеличивает вращающий момент на валу 6; 3 – кожух турбины; 5 – опора вала.

Реверс-редуктор предназначен для передачи мощности от вала тяговой турбины к ведущим осям и для изменения направления движения локомотива при неизменном направлении вращения турбины. Условия работы редуктора с турбинным приводом на локомотиве отличаются от условий работы на других транспортных установках большой мощности. Специфично сочетание максимальных нагрузок при трогании и во время разгона состава с работой со значительными окружными скоростями (до 100 м/с) в зацеплении зубчатых колёс при больших скоростях движения.

В процессе выбора схемы реверс-редуктора необходимо обеспечить работоспособность зубчатой передачи и подшипников, надёжность и простоту реверса, технологичность, минимальные габаритные размеры, минимальную массу и др. Из многообразия возможных схем силовой передачи реверс-редуктора можно выделить два принципиальных направления: схемы, в которых каждое зубчатое колесо передает полную мощность (однопоточные), и схемы с симметричным разделением потока мощности в первой, имеющей наибольшую частоту вращения, ступени (двухпоточные). Достоинством однопоточных схем является их сравнительная простота, малые габаритные размеры и высокий к.п.д. Однако в них трудно решается вопрос обеспечения нормальных условий работы подшипников ведущего вала редуктора, в которых при трогании может иметь место сухое или полужидкостное трение, что недопустимо.

Двухпоточные схемы, при которых редуктор выполняют двухступенчатым, несколько сложнее, имеют большее количество зацеплений, большие габаритные размеры и массу. Однако они обеспечивают почти полную разгрузку подшипников ведущего вала и некоторое снижение окружных скоростей в зацеплении за счёт уменьшения размеров ведущей шестерни. Для турбовозов разработано несколько вариантов реверс-редуктора по различным схемам.

По одному из вариантов реверс-редуктор выполнен по простейшей однопоточной схеме с реверсом, расположенным на выходном валу. Корпус редуктора – составной, из трёх частей, с двумя вертикальными разъёмами. В нижней части к корпусу прикреплён поддон, являющийся масляным резервуаром систем смазки редуктора, турбины и вспомогательных агрегатов.

Главная передача реверс-редуктора состоит из шести шевронных зубчатых колёс, оси которых совпадают с плоскостями разъёма корпуса. Ведущий вал и валы реверса опираются на подшипники скольжения, промежуточный вал – на подшипники качения. Посредством торсионного вала ведущий вал связан с тяговой турбиной. С другой стороны к нему при помощи обгонной муфты подсоединено валоповоротное устройство, служащее для проворачивания ротора тяговой турбины после её останова. Для останова тяговой турбины в процессе реверсирования предусмотрено тормозное устройство, соединённое с промежуточным валом редуктора.

Муфта реверса имеет три фиксированных положения: «Ход вперёд», «Нейтраль» и «Ход назад». Работа механизма реверса осуществляется следующим образом. При пуске турбины и на стоянках локомотива муфта реверса всегда находится в положении «Нейтраль», разобщая двигатель и колёса локомотива. Турбина и соединённые с ней постоянно зубчатые колёса главной передачи редуктора могут свободно вращаться, обеспечивая тем самым равномерный прогрев ротора турбины.

Перед началом движения локомотива рукоятку реверса на пульте машиниста устанавливают в положение «Вперёд» или «Назад». При этом кратковременно снижают до минимума крутящий момент на валу тяговой турбины и впускают воздух в пневмокамеры тормозного устройства, в результате чего турбина останавливается. После полной остановки турбины тормозное устройство отключают и через специальное блокировочное устройство подают сжатый воздух в цилиндр реверса, от которого через рычажную передачу муфта реверса перемещается в рабочее положение.

Возможность проворота ротора турбины создает условия, способствующие безусловному включению муфты. Во включённом положении муфта реверса автоматически фиксируется стопорным устройством. Рукоятку реверсора в положение «Нейтраль» переводят при полностью остановленном локомотиве в той же последовательности, что была описана выше.

В тележечных локомотивах выходной вал реверс-редуктора с тележками локомотива соединяет валопровод, который благодаря центральному расположению редуктора в кузове выполнен симметричным, что предпочтительнее с точки зрения уменьшения автоколебаний, возникающих в трансмиссии при боксовании. При выборе типа валопровода необходимо учитывать наличие значительного переменного прогиба рамы локомотива по мере расходования топлива из бака. Разработано несколько вариантов валопровода. В одном из них валопровод представляет собой два полых вала, установленных на подшипниках качения в опорах, закреплённых на раме. Со стороны карданных валов опоры имеют подшипники, служащие для восприятия осевых сил. Соединение валов с выходным валом реверс-редуктора осуществлено зубчатыми муфтами.

Силовая передача тележек принята аналогичной установленной на тележечных локомотивах. Возможность её применения обусловлена тем, что при выборе передачи определяющим с точки зрения прочности является крутящий момент при трогании локомотива с места.

Тендер. Тендер большинства конструкций паротурбовозов с конденсацией пара схож с тендер-конденсатором конденсационных паровозов. Однако, существуют паровозы, в которых пар, отработав в машине, утилизируется в турбине низкого давления.

Турботендер Южно-Американских железных дорог. Чертёж из «Альбома схем паровозов и паспортов».

Турбина может находиться на самом локомотиве, а может размещаться на тендере в качестве бустерного двигателя, служащего для привода движущих осей тендера.

Помимо паровой турбины низкого давления на таком тендере обычно размещается оборудование для конденсации пара.

Тендер получается сложным, требует специального обслуживания, однако при этом локомотив получает дополнительную мощность для тяги.

В качестве примера на приводимой иллюстрации показан турбинный тендер Южно-Американских железных дорог.