Паровоз представляет собой локомотив с независимой паросиловой установкой, состоящей из котла и поршневой паровой машины. Эта установка преобразует тепловую энергию топлива в механическую работу движущих колес посредством рабочего тела водянoгo пара. Паровоз работает как на твердом топливе (угле), так и на тяжелом жидком (мазуте).

Смертельная схватка за КПД

Есть страницы истории в жизни человечества, которые перевернуты и забыты с радостью избавления от них. Канули в Лету и не вспоминаются так и нерешенные проблемы, которые на протяжении многих десятков лет занимали умы ученых, конструкторов, самоучек-изобретателей и дилетантов. Одной из таких проблем был, да и остался существовать, коэффициент полезного действия двигателя промышленной революции XIX века – паровой машины. К паровозу эта проблема относилась в первую очередь.

Паровоз Черепановых

Это чудо техники, вызывавшее искреннее удивление и восторг в момент своего создания и несносные головные боли экономистов всех стран в период своего царствования на земле, знакомо всякому. Каждый знает, чем закончили паровозы. Каждый знает, почему. Но вот кто теперь сможет вспомнить, на какие ухищрения шли конструкторы, чтобы прожорливую топку паровоза сделать более «сговорчивой»? Для ответа на этот вопрос давайте окунемся в тот интересный мир громких паровозных гудков, белых клубов дыма и черных кочегаров. Да и повод к этому имеется – на рубеже 2007-2008 годов исполнился полувековой юбилей освобождения нашей страны от «зависимости в паровозной тяге».

Но для начала все по-порядку.

Основные вехи паровозостроения

Первые железные дороги Российской империи были построенные А.С. Ярцевым в 1788 г. в Петрозаводске для Александровского пушечного завода и П. К. Фроловым в 1810 г. на Змеигородском руднике на Алтае, и имели они конную тягу.

Первый паровоз в России был сконструирован и построен крепостными механиками Е.А. и М.Е. Черепановыми в 1834 г.

Паровоз Черепановых выгодно отличался от зарубежных паровозов оригинальными удачными конструктивными решениями. Этот паровоз перевозил до 3,2 тонн груза со скоростью около 16 км/ч.

В 1835 г. Черепановы построили второй, более мощный паровоз, перевозивший около 16 тонн груза. При постройке этих паровозов русские механики внесли много технических новшеств, которые впоследствии нашли применение в паровозостроении. Паровозы Черепановых имели большую трубчатую поверхность нагрева котла, чем паровоз «Ракета» английского изобретателя Стефенсона. На первом паровозе Черепановых было установлено 30 дымогарных труб, на втором – 80, а на паровозе «Ракета» – только 25. Паровые цилиндры на паровозах Черепановых были расположены горизонтально под котлом, для перемены направления движения был установлен специальный переводной механизм.

Пятиосный паровоз компаунд Владикавказской ж/д

По мере увеличения протяженности сети железных дорог росло и паровозостроение не только за рубежом, но и в России.

В 1869 г. началась постройка паровозов на Коломенском и Камско-Воткинском заводах, в 1870 г. на заводах: Невском в Петербурге и Мальцевском в Людинове, в 1892-1900 гг. – на заводах: Брянском, Путиловском, Сормовском (близ Нижнего Новгорода) и Харьковском.

С постройкой в Луганске в 1896 г. самого крупного в Российской империи паровозостроительного завода – завода Г.К. Гартмана, являвшегося председателем правления «Русского общества машиностроительных заводов», Украина заняла одно из передовых мест в строительстве локомотивов во всем мире. Интересные факты, касающиеся данные завод: в Советском Союзе Ворошиловградский (ныне вновь Луганский) тепловозостроительный завод им. Октябрьской революции выпускал до 95 % всех тепловозов страны. С обретением независимости Украины наследник Гартмана пытался выкупить этот завод в свою собственность.

Итак, развитие паровозов набирало высокие темпы, стали появляться различные конструкции паровозов, появилось разделение по виду эксплуатации. Появились паровозы двух-, трех-, и четырехцилиндровые, а по системе паровой машины — однократного и двукратного расширения.

Впервые опытные паровозы двукратного расширения появились в 70-х годах XIX в. и стали называться компаунд-машинами. Главным достоинством паровозов системы «компаунд» являлась большая экономичность, при которой расход угля сокращался до 30 %.

Разница между паровозом простого расширения и паровозом системы «компаунд» состояла в том, что у паровоза простого расширения употреблялись исключительно цилиндры высокого давления, а отработанный пар переходил из цилиндра прямо в атмосферу. У паровозов же системы «компаунд» применялись цилиндры высокого и низкого давления, а отработанный пар из цилиндра высокого давления переходил в другой цилиндр большего диаметра, в котором он вторично расширялся, и затем уже выпускался в атмосферу.

Паровоз серии У, построен на Путиловском заводе в 1910 году

В 1855 г. появились первые серийные товарные и пассажирские компаундные паровозы. В России первый пассажирский паровоз системы компаунд был построен на Коломенском заводе в 1891 г.

Однако, не смотря на целый ряд достоинств, такие паровозы имели и крупные недостатки: громоздкость системы, сложность ремонта, трудность управления. Поэтому сети дорог СССР работали только двухцилиндровые паровозы с паровой машиной однократного расширения.

Усовершенствование паровозов компаундной схемы привело к появлению первых сочлененных (гибких) паровозов, которые дали возможность значительно увеличить провозную способность участков, имевших слабый путь. Первый в мире такой паровоз был построен в 1887 г. Русский инженер Е.Е. Нольтейн организовал постройку сочлененных паровозов для отечественных железных дорог, и в 1899 г. сочлененные паровозы появились на русских железных дорогах. Отечественный сочлененный паровоз последней разработки будет представлен ниже.

Стали паровозы различаться по осевым характеристикам и сериям.

Осевая характеристика отечественных паровозов состоит из трех цифр: первая указывает число бегунков – осей в передней тележке, вторая – движущих осей, третья – число осей в задней тележке. Паровоз, изображенный на цветной картинке, имеет спереди и сзади одноосные тележки и три движущие оси, поэтому его осевая характеристика 1-3-1.

В США и Англии тип паровоза определяется числом колёс, а не осей, например, паровоз типа 1-5-0 серии Л в этих странах обозначается как 2-10-0; паровоз типа 1-5-1 серии ФД получит обозначение 2-10-2.

Грузовой паровоз серии Эм, построен в 1934 г. Ворошиловградским заводом

В Германии число движущих осей обозначается прописными буквами соответственно алфавиту, так, обозначение 1Е обозначает 1-5-0, а запись 1Е1 расшифровывается как тип 1-5-1.

Такая простейшая классификация паровозов по числу и расположению колёсных пар и даёт полное представление о типе паровоза. Если же известна ещё и нагрузка на движущие оси, то судят о размерах и мощности локомотива.

Партия построенных одинаковых паровозов называется серией. Серии отечественных паровозов обозначали буквами русского алфавита, часто с индексами из букв меньшего размера. Обычно верхние индексы указывали на изменение основной серии или ее особенность (например: у – усиленный, м –модернизированный, р – реконструированный, п – с перегревателем или пассажирский и т. д.), а нижние – на завод-изготовитель (б – Брянский, к – Коломенский, л, ЛВ, ОР – Луганский, с – Сормовский). Иногда серию паровоза обозначали по заводу-изготовителю или конструктору свободной прописной буквой, например, серией Л обозначались паровозы по фамилии их разработчика Лебедянского.

Безусловно, отечественное паровозостроение имело свой собственный путь развития. Выдающиеся русские инженеры и конструкторы А.П. Бородин, Е.Е. Нольтейн, В.И. Лопушинский, М.В. Гололобов, А.С. Раевский, Б.С. Малаховский и другие создали ряд новых типов паровозов и ввели на них много усовершенствований.

В 1878 г. впервые в России и в мире были построены пассажирские паровозы с тремя движущими осями и передней тележкой (типа 1-3-0), отличавшимися высокой скоростью и большой мощностью. До этого времени как за границей, так и в России выпускались паровозы только с двумя спаренными осями. Паровозы с четырьмя движущими осями, появившиеся в России еще в 60-х годах XIX столетия, непрерывно совершенствовались и к 1893 г. широко применялись на железных дорогах.

По инициативе Е.Е. Нольтеина на паровозах был введен перегрев пара. Русскими конструкторами К.Ф. Неймайером, П.М. Ноткиным, С.М. Чусовым и другими изобретателями были созданы оригинальные конструкции пароперегревателей.

Паровоз серии Су

В 1891 г. на Коломенском заводе впервые в истории паровозостроения был построен паровоз с конденсацией пара. В.И. Лопушинский и С.И. Смирнов обосновали и использовали принцип унификации и взаимозаменяемости деталей и узлов в паровозах.

В конце XIX века Н.П. Петров и А.П. Бородин заложили основы учения о тяге поездов, которое было превращено русскими и советскими учеными в науку, позволяющую точно рассчитывать массу поезда, скорость и время его движения, определять тормозные пути в зависимости от профиля пути и обеспеченности поезда тормозными средствами и решать многие задачи, связанные с использованием мощностных и тяговых характеристик локомотивов.

В начале XX в. русскими инженерами много было сделано в области усовершенствования типов паровозов. На Путиловском заводе были построены оригинальные быстроходные пассажирские паровозы серии У, на Харьковском заводе – паровозы типа 1-4-0 серии Щ, в дальнейшем оборудованные пароперегревателями. Брянский завод спроектировал и построил пассажирский паровоз типа 2-3-0 серии Б, Коломенский завод – такого же типа паровозы серии К и в дальнейшем усовершенствованные – серии К^у. Луганским заводом в 1912 г. был построен мощный грузовой паровоз типа 0-5-0 серии Э, оказавшийся лучшим из всех применявшихся тогда паровозов и получивший впоследствии большое распространение на наших железных дорогах в различных модификациях. На Всемирной выставке в Париже в 1900 г. с успехом демонстрировался мощный сочлененный (сдвоенный) паровоз, построенный Брянским заводом.

С 1911 г. Сормовский завод спроектировал и стал выпускать паровозы серии С. В 1925 г. Коломенский завод провел его модификацию и построил новый пассажирский паровоз С^У, который являлся одним из лучших пассажирских паровозов.

Начиная с 1926 г., на протяжении длительного периода, на паровозостроительных заводах строили усовершенствованные и усиленные грузовые паровозы Э^У, Э^М и Э^Р.

Магистральный грузовой паровоз серии ФД, 1931 г.

В 1931-1932 гг. были построены самые мощные в Европе паровозы: пассажирский серии ИС (Иосиф Сталин) в 3200 л.с. с конструкционной скоростью 105 км/ч, и грузовой серии ФД (Феликс Дзержинский) мощностью 2700 л.с. с конструкционной скоростью 85 км/ч. Их строительство велось на Луганском паровозостроительном заводе.

В начале 1932 г. был разработан проект мощного пассажирского паровоза типа 1-4-2 серии ФД^П. В этом же году первый паровоз этой серии был построен Коломенским паровозостроительным заводом.

В 1934 г. на Харьковском паровозостроительном заводе был построен паровоз типа 1-5-0 серии СО. Совместно с Коломенский завод эти предприятия с 1936 по 1941 гг. выпускали модернизированные паровозы этих серий с устройством для конденсации отработавшего пара.

В эти годы советское паровозостроение получило всемирное признание. Например, за локомотивы «ФД» и «ИС» Луганский паровозостроительный завод, а также сами паровозы, были награждены Золотыми медалями на выставке в Париже в 1938 г.

В 1944-1945 гг. по проекту советских инженеров в США строились для Советского Союза грузовые паровозы типа 1-5-0, которым были присвоены серии Е^а и Е^м.

В 1945 г. был выпущен новый по конструкции, разработанный главным конструктором Коломенского паровозостроительного завода Л.С. Лебедянским, опытный паровоз типа Л с колесной формулой 1-5-0 с нагрузкой от колесной пары на рельсы 18 тонн, что позволило использовать его на восстановленных линиях, не допускавших пропускать паровозы ФД с нагрузкой 20 тонн. По сути дела, паровозы серии Л стали вездеходными.

Магистральный пассажирский паровоз серии ИС, 1936 г.

Мощность, развиваемая серийными паровозами ЛВ, составляла 1800 л.с. при конструкционной скорости 85 км/ч. Они явились продолжением паровозов серии Л.

В 1950 г. Коломенский паровозостроительный завод выпустил первый опытный мощный пассажирский паровоз типа 2-4-2 (П36), обладающий высокими эксплуатационными качествами. Несколько таких паровозов было построено в 1953 г., а в 1955 г. было начато их серийное производство.

На Луганском паровозостроительном заводе в 1952 г. был построен модернизированный паровоз Л типа 1-5-1, оборудованный водоподогревателем и увеличителем сцепного веса. На этом же заводе в 1954 г. были построены три опытных грузовых паровоза типа 1-5-1 с нагрузкой от оси на рельс 21 тонн с роликовыми подшипниками, увеличителем сцепного веса и водоподогревателем. Мощность была доведена до 2400 л.с.

В создание новых типов паровозов большой творческий труд вложили инженеры-конструкторы К.Н. Сушкин, Л.С. Лебедянский, П.М. Шаройко, М.Н. Щукин и др.

В разработке теории и конструкции паровозов, а также в развитии науки о тяге поездов большие заслуги принадлежат советским ученым С.П. Сыромятникову, В.Ф. Егорченко, И.И. Николаеву, А.М. Бабичкову, Н.И. Белоконь, О.Н. Исаакяну и многим другим. Неоценимую помощь отечественному и мировому паровозостроению оказал академик Сыромятников, разработавший учение о тепловом процессе паровозного котла, позволившее проектировать паровозы, используя инженерные расчеты вместо применявшегося в мировой практике крайне несовершенного метода аналогий.

Изнурительная битва за КПД.

Паровоз СО средней мощности, 1940 г.

Итак, пожалуй, вряд ли можно найти ещё какие-либо образцы другой техники, над улучшением технических характеристик которых на протяжении всей эпохи существования паровозов постоянно бы не бились не только в различных НИИ и КБ всего мира, но и непосредственно в эксплуатации. Что и говорить, если К.П.Д. современного, даже наиболее совершенного паровоза обычной конструкции редко превышал 7%, а под занавес эпохи паровозов не достигал и 10%. Не трудно обнаружить, что из каждой тонны сожжённого угля на передвижение поезда расходовалось только 70 кг, а остальные 930 кг топлива буквально «вылетали в трубу». Если к тому же учесть, что во всех отечественных паровозных топках сжигалось около 1/4 части угля, добываемого в те годы в нашей стране, то станет ясно, что из-за чрезвычайно низкого К.П.Д. паровоза на ветер ежегодно выбрасывались тысячи тонн драгоценного топлива – угля, дров или мазута.

И еще одни цифры. При интенсивной работе современный мощный паровоз расходует только за один час 20-25 тонн воды и до пяти тонн угля. В результате тендеры паровозов большой мощности (2500-3000 л. с.) стали иметь водяные баки, ёмкость которых доходила до 50 м³, а глубина достигала более 2 м. Запас воды в восьмиосных тендерах новейших грузовых паровозов, построенных Коломенским и Луганским заводами, достигал почти 60 тонн. К тому же, в тендере, в среднем, размещалось свыше 20 тонн угля, иногда загрузка достигала 35 тонн.

Для наглядности проблемы убийственной неэкономичности паровоза в таблице приведен его примерный баланс тепловой энергии от сжигания угля.

Если, например, сложить все потери в паровозном котле, то окажется, что только в нем бесполезно расходуется около 40-45 % тепловой энергии топлива, поступившего в топку. Иными словами, общий К.П.Д. котла не превышает 55 %.

По сравнению с котлом паровая машина расходует тепловую энергию пара ещё более расточительно. Подсчитано, что даже самый высокий К.П.Д. лучшей паровой машины паровоза не превышает 14 %.

Вот почему при модернизации паровозов усилия конструкторов были направлены, прежде всего, на повышение их экономичности, так как даже самое незначительное, пусть на одну десятую процента, повышение К.П.Д. паровоза в масштабе всей железнодорожной сети страны приобретало большое государственное значение.

Однако сложность задачи конструирования устройств, повышающих экономичность паровоза, состоит в том, что они должны быть не только безотказны в работе, просты в уходе, но также компактны и легки.

Магистральный пассажирский паровоз П-36 выпущен в 1949 г. Коломенским заводом

Последние два условия ограничены рельсовым путем, который, в зависимости от типа рельсов, допускает нагрузку от каждой оси колёсной пары обычно не более 25 тонн. Тут существуют два варианта решения этой проблемы, которым шли разработчики паровозной тяги. Первый – модернизация паровозов с учетом уже существующей колеи, второй – увеличение ширины колеи с вытекающими отсюда последствиями. Вторым путем, например, планировали идти нацистские конструкторы, разработавшие перед нападением на Советский Союз чертежи ж/д полотна шириной в три метра, а локомотива и вагонов – шириной в шесть метров. Такие поезда ими планировалось эксплуатировать при массовом вывозе несметных богатств нашей Родины в Германию во время выполнения плана «Ост».

Что же касается нормального пути решения проблемы повышения экономичности локомотивов, то работы велись в нескольких направлениях. И, прежде всего, над чем стали работать конструкторы, это был, конечно же, пар.

А если поддать пару?

В этом направлении разработчики установили, что для полноценной работы пара в цилиндре паровой машины важна не его масса, а объем и качественное состояние, т.к. в насыщенном паре сохраняются капельки воды, причем такая влажность достигает иногда 10%, что значительно снижает как сам объем пара, так и кинетическую энергию его молекул. Кроме того, применение перегретого, лишенного капелек воды пара значительно уменьшает потери на теплообмен со стенками цилиндров в паровой машине. Поэтому в паровозах влажный пар стали нагревать вторично.

Принцип получения перегретого пара был известен давно, однако создать надежный пароперегреватель на паровозах оказалось далеко не простым делом. В 1989 г. одним из первых сконструировал и установил на паровозе пароперегреватель своей конструкции наш соотечественник инженер Грубинский, и уже в 1902 г. первый паровоз с перегретым паром был построен Коломенским паровозостроительным заводом. В результате эксплуатация паровозов, оборудованных системой перегретого пара, показала, что при повышении перегретого пара на каждые 10˚С экономится около 1% топлива и 1,5% воды. Дальнейшее развитие повышения экономичности в этом направлении привело к тому, что на последних типах паровозов температура перегретого пара в 2-2,5 раза выше температуры насыщенного пара при том же давлении и достигает 360-450˚С.

Дополнительную экономию топлива, как это ни выглядит странно, вызвало увеличение хода поршней в цилиндрах паровозов. Впервые к этому прибегли коломенские паровозостроители еще во время ВОВ, увеличив ход поршней в проектируемом тогда паровозе Л. Это привело к уменьшению объема «вредного» пространства в цилиндрах и увеличению диаметра движущих осей паровоза. Расчеты показали, что каждые 1,5% уменьшения объема «вредного» пространства дают 1% экономии топлива.

Грузовой паровоз серии ЛВ построен в 1952 г. Ворошиловградским заводом

Дело – труба!

С целью увеличения К.П.Д. паровоза постоянным усовершенствованиям подвергалось дымовытяжное устройство, расположенное впереди локомотива, в дымовой камере. Постоянные доработки конструкций дымовых труб, конусов (предназначены для вывода пара из цилиндров в дымовую трубу) и сифонов (предназначены для искусственного создания там же тяги газов, когда паровая машине не работает, например, на стоянках) производились на протяжении всей истории паровозостроения. Из серии к сериям, от типа к типам паровозов изменялись длины, диаметры и формы дымовых труб как внутри, так и снаружи паровоза. Постоянным изменениям подвергались конуса и сифоны. Так, например, было установлено, что на паровозе серии Э^м при уменьшении диаметра конуса на 10% потеря силы тяги пара составила 390 кг, при этом конусная дымовытяжная установка последних типов паровозов теоретически могла развивать мощность более 1000 л.с. Даже сами машинисты иногда в поисках более эффективных средств борьбы с потерями энергии тяги газов и расхода топлива вели борьбу за усовершенствование дымовытяжного устройства. В свое время широко стали известны машинист К.Я. Золотарев и к.т.н А.С. Гордеев, которые сумели практическим путем определить наивыгоднейшеую компоновку дымовой трубы и конуса. В конце концов, было установлено, что экономичность дымовытяжного устройства в большей степени зависела от размеров и формы вытяжной трубы, чем от формы конуса. Что же касается сифонов, то на последних этапах существования отечественных паровозов они устанавливались усиленные чугунные с расходящимися соплами Лаваля конструкции профессора А.Н. Шелеста. Все эти изменения вели к улучшению разряжения в дымовой камере, требовали меньше времени для поднятия давления пара в котле и были более экономичны по расходу газов.

Здесь следует отметить одну из многочисленных неприятностей паровоза – для приведения в действие холодного полностью заправленного паровоза, т.е. для поднятия давления пара, требовалось до суток (!) времени. Этот показатель достаточно красноречиво указывает на ту роль, которую занимала проблема усовершенствования топки и дымовытяжных устройств с целью скорейшего прогрева котла, а значит, и повышения экономичности и мощности паровозов.

Аналогичных целей преследовали и установкой по бокам дымовых камер паровозов отбойных листов. Их можно было наблюдать практически на всех паровозах последних годов выпусков, например, на паровозе П-36. Предназначались они для вытягивания набегающим потоком воздуха при движении паровоза паров газов из дымовой трубы, т.е. служили для увеличения тяги в дымовытяжном устройстве.

Показателем работы дымовытяжного устройства могут служить следующие цифры. При наибольшей скорости движущие колёса быстроходного пассажирского паровоза (диаметр колёс 2000 мм) делают до 440 оборотов в минуту, или в одну минуту производится 1760 выхлопов пара в трубу – почти 30 выхлопов пара в секунду, при этом скорость вылета газов из трубы достигает 50 м/сек.

На некоторых паровозах для улучшения борьбы с влажным паром над дымовытяжным устройством дополнительно устанавливались газовые паросушители.

Работа для Calgonа или «Мне – без пены!»

Паровоз серии Л постройки Ворошиловградского завода с установленным газовым паросушителем в дымовой коробке

Другой проблемой пара, которую были вынуждены решать конструкторы паровозов, была накипь от различных растворенных в воде веществ: ил, индустриальные и промышленные отходы, соли и т. д.

Накипь является хорошим тепловым изолятором. Подсчитано, что при толщине слоя накипи в 3 мм потери тепла на нагрев котла составляют до 12 %, а потери топлива на сети дорог могут достигать 600 тыс. тонн в год. Скопление накипи в одном месте может вызвать перегрев листов огневой коробки топки до температуры, при которой они потеряют пластичность, в результате чего появится выпучина, разрыв.

Таким образом, плохое качество пара отрицательно отражалось не только на К.П.Д. паровоза, в отдельных случаях такой пар мог привести к поломке деталей движущего и парораспределитьльных механизмов, а вопрос борьбы за качество пара, которое зависит от его влажности и содержания солей, приобрел особое значение при экономии топлива особенно в тяжеловесных поездах и на высоких скоростях.

Поэтому для определения пригодности источника водоснабжения к питанию котлов паровозов воду приходилось подвергать анализу в дорожной или деповской химико-технической лаборатории и устанавливать, какую обработку необходимо применить и определить дозировку антинакипина и антикоррозионных присадок.

Дополнительно в этом плане машинистам периодически приходилось проводить продувку котлов с целью удаления шлама. Однако такая необходимая мера была чревата неприятным побочным эффектом – за одну продувку, а это 2÷3 секунды, из котла выдувалось до 4 см воды (!) по водомерному стеклу.

Продувка котла могла производиться как на ходу, так и на стоянке паровоза. Режим и места продувки в дороге устанавливались графиками, составленными на основании испытаний по пути следования.

Кроме борьбы с накипью отдельным показателем эффективности парообразования стал такой побочный эффект воды, как пенообразование (образование пузырьков воздуха из-за наличия солей). Введением в котел нескольких граммов высокоэффективного пеногасителя (0,2÷0,3 г на 1 т воды) улучшает парообразование в течение нескольких часов работы паровоза. В связи с этим пеногасители периодически вводились в котел перед отправлением поезда, а в некоторых случаях, и перед затяжным подъемом. НИИ МПС постоянно проводило исследовательские работы по улучшению состава пеногасителей и антинакипинов и разработало эффективные химические вещества, применявшиеся на всех железных дорогах СССР.

Установим бойлер?

Сочлененный грузовой паровоз по системе Маллета, США

Для уменьшения потерь тепла воды и пара от внешнего охлаждения весь котел, за исключением дымовой камеры, покрывался слоем теплоизоляции, состав которой на протяжении многих лет выработался практическим путем. Причем характеристики такой изоляции, например, коэффициент теплопроводности, вес и плотность и т.д. строго регламентировались нормами МПС. Наиболее оптимальной изоляцией были признаны вулканитовые плиты толщиной 40 мм, которые изготавливались из массы, содержащей 20 % асбеста, 60 % диатомита и 20 % извести. Правильно уложенная такая смесь давала плотность не выше 400 кг/м³, теплопроводность могла доходить всего до 0,087 ккал/м²•ч•˚С, а удельный вес всей теплоизоляции от общего веса паровоза – менее 1 %. Благодаря применению такого способа защиты потери тепла во внешнюю среду уменьшались до 1÷2 %, а расход угля уменьшался, в среднем, на 8%.

Одной из проблем повышения экономичности паровозов была дозаправка горячего котла холодной водой из тендера. Огромный расход воды, о чем указывалось выше, требовал частой периодической ее закачки в котел во избежание снижения уровня воды ниже допустимой нормы. Понятно, что снижение температуры воды в котле резко снижало производительность паровой машины.

Решением данной существенной проблемы явилось изобретение водоподогревателя, выполнявший функцию подогревателя питательной воды перед ее поступлением в котел и осуществлявшийся за счет отдачи тепла отработавшим в машине паром.

Паровозный водоподогреватель являлся важным средством экономии топлива и повышения экономичности паровоза, а его применение давало следующие выгоды:
- достигается до 10 % экономии топлива; часть отработавшего пара возвращается в котел в виде конденсата, что на 10÷12 % сокращает расход воды;
- при нагревании воды в водоподогревателе происходит выделение из нее кислорода, углекислоты и выпадение солей, вредно влияющих на стенки котла;
- достигается возможность питать котел нагретой водой небольшими порциями, что не вызывает резкого падения котлового давления и уменьшает температурные напряжения котла.

В результате проведенных опытов было установлено, что наиболее экономичными являются водоподогреватели типа смещения. В 1948 г. Брянский паровозостроительный завод изготовил и испытал первый образец водоподогревателя типа смещения. Такой водоподогреватель устанавливался на паровозах П36, ЛВ и Е^м. В порядке модернизации им также были оборудованы паровозы Е^а, СО, ФД и С^у.

Такой водоподогреватель способен нагревать воду до 100˚С и имеет производительность от 0 до 24 т/ч. Необходимость установки водоподогревателя лучше всего объясняется следующим примером. Было подсчитано, что, в среднем, за поездку помощнику машиниста приходилось делать по 150 закачек воды в котел. При этом температура в котле могла снижаться до 200˚С. Естественно, это неминуемо вело к повышенному перерасходу топлива на подогрев котла.

Гораздо сложнее дело обстоит с подогревом воздуха, поступающего в топку паровоза и который отбирает часть энергии топлива на его прогрев: ни один из воздухоподогревателей не нашёл серийного практического применения на паровозах; это свидетельствует о трудностях, с которыми сталкивались конструкторы при создании таких устройств.

Одним из направлений повышения экономических характеристик паровоза являлось снижение его общего веса, что давало возможность увеличивать загрузку тендера топливом или водой, увеличивать объем воды в котле или снижать нагрузку локомотива на ось и на рельс. Еще в 1938 г. Луганский паровозостроительный завод начал выпускать модификацию паровозов ФД с цельносварными котлами вместо клепаных. Применение такого котла по методу автоматической сварки Е.О. Патона дало возможность снизить его вес на 2÷2,5 тонны.

Дальнейшее стремление максимально снизить вес паровоза привело к внедрению соединения цельносварного котла и цилиндрической части кожуха топки с помощью сварного соединения. Такое нововведение впервые было применено на паровозах ЛВ и П36, на которых экономия веса заклепок составили до 3 тонн или до 2,5 % от общего веса этих паровозов. В гонке за К.П.Д. даже на пике совершенства паровозов, в 50-е годы прошлого века, это было большое достижение конструкторской мысли. Здесь следует отметить интересный факт: при повышении температуры паровозный котел удлиняется до 30 мм. Поэтому свободный край котла, не зафиксированный жестко на раме, находился со стороны будки машиниста.

Особое внимание уделялось и повышению удельной мощности паровозов, которое тогда называлось отношением модуля силы тяги к сцепному весу паровоза. Эта величина выражалась в кг/т. Например, в связи с внедрением усовершенствованных технологий паровоз серии Л в сравнении с более ранним ФД, был на 22 % легче по весу металла, а возил составы лишь несколько меньше, чем ФД. В сравнении с паровозами серии Е^а паровоз Л возил составы по весу больше на 10 % и при этом выдерживал скорость на подъемах выше на 10 %. Цифры отношения модулей силы тяги к сцепному весу этих паровозов красноречивы: для Еа – 305, для ФД – 327, для Л – 336 кг/т.

Наука и техника 05-2008