Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

От 7¼-тонной «Ракеты» Стефенсона 1829 года до недавних 300-тонных паровых поршневых локомотивов никаких революционных изменений в фундаментальном дизайне не произошло. Разные экспериментальные модели не имели коммерческого успеха. Развитие паровых локомотивов шло в направлении роста производительности, мощности и нагрузки на ведущие колеса. Повышение производительности, как и в стационарных станциях, достигалось такими инновациями, как перегретый пар, механическая топка, нагрев питательной воды и т. д. Ограничения по высоте и ширине локомотива серьезно сдерживали его производительность. Как правило, производительность паровых локомотивов составляет всего около 8 процентов максимальной. Эффективность термодинамического цикла измеряется разницей температур используемого теплоносителя до и после применения. Поэтому желательно получить наивысшую возможную начальную температуру и самую низкую конечную. Поскольку конденсация пара едва ли практически выполнима в условиях локомотива, отработанный пар выбрасывается в атмосферу при сравнительно высоких температурах, а поскольку давление в котле и температуры по понятным причинам ограничены, термодинамическая эффективность низкая.

Генри Р. Кэмпбелл из Филадельфии изобрел сдвоенные колеса в 1836 году. Его локомотив «Блэкхоук», построенный в том же году, имел четырехколесную ведущую тележку и две пары движущих колес, причем движущие колеса с каждой стороны были сцеплены друг с другом дышлами, так что они все время двигались вместе. Локомотивы с таким расположением колес называют американским типом (рис. 12.1). Двумя годами позже Джозеф Гаррисон-младший соединил оси двух движущих колес с каждой стороны балансирным брусом, тем самым сбалансировав нагрузку на оси. Он также сконцентрировал вес самого локомотива в трех точках: центре передней тележки и центрах каждого балансира. Такое устройство, обеспечивавшее стабильность, особенно не неровной дороге, осталось фундаментальным в дизайне локомотива. К 1860 году уголь заменил дерево в качестве топлива (рис. 12.2), число движущих колес увеличилось до шести, и появился инжектор для впрыскивания питательной воды в котел, заменивший насосы. Анри Жиффар, придумавший инжектор, занимался строительством дирижаблей.

Для обозначения расположения колес в паровом локомотиве была принята формула, известная как система Уайта.

Рис. 12.1. Новые локомотивы американского типа, Новая Лондонская и Северная железная дорога, 1841 г.

Первая цифра обозначает число передних колес, вторая – число движущих колес, третья – число хвостовых колес. Если имеется два комплекта движущих колес на сочлененных тележках, добавляется еще одна цифра. Начиная с 1860-х годов шло быстрое развитие железнодорожного подвижного состава и появились разные типы локомотивов. 2-8-0 – тип Consolidation – с восемью движущими колесами, появился в первом же десятилетии. Локомотивы 2-10-0 тоже строились примерно в это время, однако тип 2-8-0 остался самым популярным тяжелым американским локомотивом до конца века. В 1860-х годах при строительстве локомотивов стали использовать сталь, а в 1890-х годах появилась новая топка, которая была шире, длиннее и эффективнее прежней, и в ней сжигался низкосортный уголь. Топка больших размеров обусловила внедрение хвостовых колес меньшего диаметра. Их помещали под топкой, и она могла иметь такую же ширину, как ширина локомотива, а не ограничиваться пространством между колесами.

Рис. 12.2. Пассажирский локомотив, работающий на угле, 1864 г.

Многие усовершенствования железнодорожного подвижного состава изначально делались в Соединенных Штатах, где потребность в большей мощности была выше, чем в других частях мира. Однако в 1876 году Жюль Теодор Анатоль Малле (1837–1919), швейцарец по происхождению, изобрел компаунд-турбину, в которой пар работал дважды, как в стационарных и морских силовых установках. Сначала пар поступал в цилиндр высокого давления, а оттуда после частичного расширения в цилиндр низкого давления, имеющий большие размеры, и уже оттуда выбрасывался в воздух. Хотя принцип компаундирования был впервые использован в Соединенных Штатах в 1889 году, там он никогда широко не применялся.

К началу XX века существовало три основных типа локомотивов: маневровый, пассажирский и грузовой. В 1900 году проектировщики сосредоточились на создании грузовых машин с высокой тягой, пусть даже в ущерб высокой скорости, и высокоскоростных пассажирских локомотивов для сравнительно легких поездов. От этих локомотивов удавалось добиться производительности, не превышающей 3 процентов максимальной. Все понимали, что необходимо добиться повышения производительности и мощности, чтобы удовлетворить потребности в перевозках и выдержать конкуренцию со стороны электровозов. Согласно общепринятому мнению, паровозы должны были быть как можно проще, а всевозможные усовершенствования не слишком важны.

В 1900 году Вильгельм Шмидт из Германии изобрел устройство для перегрева пара, чрезвычайно важное для стационарного производства энергии. Шмидт пропускал насыщенный водяной пар через небольшие трубы, которые он встроил в газоходы котла, и превращал насыщенный пар в перегретый. Максимальное давление пара в энергетических установках локомотивов в 1900 году составляло около 200 фунтов. В XX веке давление увеличилось, но в середине века, как правило, не превышало 250 фунтов и только изредка достигало 300 фунтов. Такие значения давлений намного ниже, чем на стационарных станциях, и ограничиваются котлом локомотива. Температура насыщенного пара повышается с ростом давления. Таким образом, повышенное давление означает более высокую температуру пара, а перегрев поднимает температуру еще выше. Главный ограничитель мощности на выходе угольного локомотива с ручной топкой – количество угля, которое кочегар может в нее забросить лопатой. Постоянное открывание дверцы топки, без которого обойтись нельзя, означает доступ в нее холодного воздуха и приводит к значительному снижению эффективности. Механическая топка и сжигание нефти устранили эти недостатки и увеличили мощность локомотива в четыре раза. Другие мелкие усовершенствования рабочих деталей парового локомотива сообща удвоили его эффективность в XX веке, однако максимальные 8 процентов даже при благоприятных условиях – все еще очень низкое значение по сравнению с паровой турбиной стационарных электростанций или двигателем внутреннего сгорания. Один из первых удачных локомотивов, работавший на нефти, – это «Петролия», построенная в 1886 году в Англии. К 1900 году уже несколько американских железных дорог перешли на нефть, однако доля американских локомотивов, работавших на нефти, никогда не превышала 15 процентов.