Турбовозы. История, теория, конструкция

– 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 Жинаба к идее изменённого расположения трубок в противоположность обычному (шахматному) расположению. При расположении Жинаба падающие капли конденсата обтекают лишь часть поверхности трубок, отчего уменьшается сопротивление прохождению тепла. В системе Жинаба 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 Жинаба позволяет сократить охлаждающую поверхность на 20—35%. Усовершенствованная система Жинаба изготавливалась заводом Balcke.

Конденсатор Жинаба 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.