История создания первых локомотивов и железных дорог

ПЕРВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ЛОКОМОТИВЫ

Как отмечалось в предыдущем параграфе, история железнодорожного транспорта началась с появлением первых локомотивов и в дальнейшем неразрывно связана с развитием и совершенствованием всех видов тяги.

Локомотивы, в отличие от других железнодорожных транспортных средств (вагоны, путевые машины и др.), способны создавать внешнюю движущую силу (силу тяги). Следовательно, у них должны быть, во-первых, колеса, взаимодействующие с рельсами, во-вторых, к этим колесам должна быть подведена энергия, например, в виде крутящего момента.

Для преобразования энергии из одного вида в другой создавались различные приспособления и машины. Так, еще в IV в. до н.э. для помола зерна использовали водяные мельницы (двигатели), в которых кинетическая энергия преобразовывалась в механическую работу. В дальнейшем были созданы паровые машины (1769 г.), паровые турбины (1883 г.), карбюраторные двигатели внутреннего сгорания — двигатели Отто (1886 г.), дизели с самовоспламенением рабочей смеси (1897 г.), газотурбинные двигатели (1920 г.), в которых для получения механической работы использовалась внутренняя химическая энергия органического топлива (нефть, газ, уголь, древесина и др.).

Итак, на локомотиве должна быть установлена специальная тепловая установка для преобразования энергии топлива в механическую работу. Различия между типами локомотивов как раз и заключаются в отличительных особенностях используемых на них энергетических установок. Соответственно, различают следующие типы локомотивов: паровоз, электровоз (электрическая тяга), тепловоз, паротурбовоз и газотурбовоз. Именно в такой исторической последовательности создавались эти машины. Первым типом локомотива, появившимся более 200 лет назад, был паровоз — автономный локомотив, имеющий паросиловую установку, состоящую из парового котла и поршневой паровой машины.

Изобретателем или, правильнее, создателем паровой машины (поршневого парового двигателя) считают англичанина Джеймса Уатта (1736 — 1819 гг.), который в 1769 г. получил свой первый патент на паровую машину прямого действия.

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Первое описание принципиального устройства поршневой машины было опубликовано в трудах Парижской академии наук в 1680 г. Автор идеи — голландский физик Христиан Гюйгенс. В предложенной им конструкции машины поршень поднимался в цилиндре вверх за счет взрыва пороха под ним. Обратный (рабочий) ход поршень совершал под действием атмосферного давления и собственной силы тяжести. Для возможности движения поршня вниз продукты сгорания под ним следовало охладить. Поэтому процесс движения протекал очень медленно. Такая поршневая машина стала называться «атмосферный поршневой двигатель».

Реализация идеи даже в виде модели в то время встретила серьезные затруднения, прежде всего, из-за отсутствия технологии внутренней расточки металлического цилиндра. Как следствие, Гюйгенсу не удалось обеспечить его правильной геометрической формы и плотного прилегания поршня к стенкам, т. е. герметичность рабочего пространства. После первых испытаний модели работа над ней была прекращена.

Однако, несмотря на отсутствие положительного результата, работа X. Гюйгенса должна быть отмеченной — в публикации о ней впервые была описана схема принципиального устройства поршневой машины со всеми ее атрибутами (цилиндр, поршень и клапаны), которые присутствуют и ныне в конструкции современных поршневых тепловых двигателей.

Ученик Гюйгенса, французский физик Дени Папен, изучавший в Англии вместе с Робертом Бойлем свойства водяного пара, в 1690 г. попытался сделать поршневой двигатель паровым. Поместив в цилиндре под поршнем вместо пороха какое-то количество воды, он разводил под днищем цилиндра огонь. Образовавшийся пар поднимал поршень вверх, после чего огонь следовало убрать, а цилиндр, как в машине Гюйгенса, охладить. Рабочий ход вниз должен был также происходить под действием атмосферного давления.

Однако очень медленный ход поршня (Папен пытался сделать стенки цилиндра, кроме днища, деревянными, типа бочки) и необходимость попеременного перемещения огня под днищем цилиндра делали этот проект тоже практически неосуществимым. Позднее Папен опубликовал брошюру, в которой указал на необходимость охлаждения пространства под поршнем до конденсации пара и, таким образом, представил замкнутый цикл работы воды и пара в паросиловой энергетической установке (испарение воды — расширение пара — конденсация пара и т. д.).

При плавке металлов в XVII в. использовалась теплота сгорания древесного угля. Развитие металлургии приводило, таким образом, к вырубке и опустошению лесов, в особенности в Англии с ее ограниченной территорией. Поэтому началась интенсивная добыча каменного угля. Его запасы в Англии были велики, но уголь находился на глубине, под водоносными слоями. Насосы, приводимые в движение лошадьми, число которых в отдельных шахтах доходило до 500, не могли справиться с откачиванием потоков воды в шахтах, которые между тем становились все глубже (в 1700 г. средняя глубина шахты составляла 120 м, в 1750 г. дошла до 180 м).

Таким образом, к созданию теплового двигателя приводила острая необходимость обеспечения привода для насосов, откачивающих воду в горной промышленности. Томас Севери, владелец шахты в Англии, в 1698 г. получил патент на паровой насос для откачивания воды. Это был беспоршневой двухклапанный двигатель, который работал циклически. Установка состояла из парового котла с топкой и отдельного резервуара, игравшего роль вакуумного насоса.

Вакуум создавался в резервуаре, заполненном паром, вследствие его наружного охлаждения и конденсации пара. Тогда под действием атмосферного давления в резервуар по вертикальной трубе засасывалась вода из шахты. Установка действовала, но насос поднимал воду лишь на небольшую высоту. На работу этой установки затрачивалось очень много топлива, так как тепловая энергия пара при его конденсации терялась безвозвратно.

Как известно из школьного курса физики, коэффициентом полезного действия (кпд) узла или машины называется отношение полезной работы (энергии) к затраченной. Так что кпд насосной установки Севери оценивался несколькими десятыми долями процента. Но других средств не было и поэтому они (в 1702 г. Севери назвал свою машину «Друг рудокопа») стали распространяться в угледобывающей промышленности. Это была еще не паровая машина, а термомеханический насос, который работал циклически, но непрерывно.

Томас Ньюкомен — кузнец, изобретатель — в 1712 г. усо-вершенствовал идею Севери, отделив насос от собственно двигателя. Его система состояла из парового котла, парового цилиндра с поршнем (аналогичного машине Папена), который через рычажную передачу приводил в движение поршневой водяной насос. Первые два элемента системы уже представляли стационарную энергетическую установку: тепловой генератор (паровой котел) и тепловой двигатель, который работал по принципу пароатмосферной машины, поршень которой совершал один ход-вверх, под действием давления пара, авто-рой рабочий код — вниз, под действием атмосферного давления после конденсации пара в цилиндре.

Это была первая работоспособная паросиловая установка, которая за счет внутренней энергии топлива выполняла механическую работу. Процесс проходил в два этапа, а именно: паровой котел преобразовывал потенциальную химическую энергию сжигаемого топлива в тепловую (энергию водяного пара), а затем в поршневом двигателе последняя преобразовывалась в механическую работу движения поршня. Но эта система также не была универсальной и могла использоваться именно только как мотор-насос. Для выполнения других работ насос поднимали выше, чтобы подаваемая им вода направлялась на водяное колесо, которое могло приводить во вращение другие потребители энергии. Это связано с дополнительными потерями, поэтому насос был сложен и малоэффективен.

Совершенствованием атмосферной машины Ньюкомена занимались многие изобретатели. Они вводили в нее одно изменение за другим, и она скоро получила широкое распространение на шахтах в Англии. В 1725 г. была построена установка Ньюкомена с двумя параллельными цилиндрами, которые действовали попеременно, ускоряя работу и увеличивая вдвое производительность. Однако их эффективность продолжала оставаться весьма низкой, так как много теплоты терялось зря и, следовательно, расход топлива был по-прежнему очень большим.

Известный российский изобретатель И. И. Ползунов, работавший на барнаульских заводах в 1763 г., воспользовавшись идеей Ньюкомена, разработал проект пароатмосферной машины для привода кузнечных мехов, которая была построена и испытана спустя несколько лет.

Таким образом, техническое развитие горной промышленности и металлургического производства в середине XVIII в. опиралось на стационарные пароатмосферные машины типа Севери и Ньюкомена, еще малоэффективные и громоздкие. Задача создания универсального теплового двигателя широкого применения смогла быть решена лишь в последней трети того столетия.

Джеймс Уатт внес в работу паровой поршневой машины целый ряд принципиальных и оригинальных усовершенствований. В 1763 г. Дж. Уатт нашел важное решение, повышающее эффективность парового двигателя Ньюкомена, — он ввел отдельный от цилиндра конденсатор, что существенно уменьшило потери теплоты и расход топлива и, следовательно, повысило кпд машины.

При конденсации пара в конденсаторе цилиндр мог оставаться теплым. Поэтому стало возможным его теплоизолировать, чтобы теплота не уходила в окружающую среду. Как уже говорилось, это изобретение положило начало эпохе паровых машин.

В 1782 г, Уатт получил второй патент на следующее техническое решение — использование расширения пара в цилиндре, что вдвое снижало расход пара на единицу работы. В 1784 г. Джеймс Уатт разработал еще несколько важнейших технических решений: двойное действие пара в цилиндре (оба хода поршня стали рабочими), двухцилиндровую машину, обеспечивающую преодоление мертвых точек и более равномерное вращение вала, и, наконец, всем известный центробежный регулятор скорости вращения вала («регулятор Уатта»).

Все нововведения сделали паровую машину Уатта универсальным тепловым двигателем, который находил применение во всех отраслях промышленности, мог быть использован и на транспортных средствах. Кпд этого двигателя по величине достигал уже порядка двух-трех процентов. Эта очень мало, но было значительно эффективнее всех существовавших до Уатта тепловых машин.

Поршневая паровая машина, основанная на возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре, как отмечалось ранее, явилась результатом работы многих изобретателей. Джеймс Уатт своим трудом и творчеством довел идею использования водяного пара в качестве рабочего тела теплового двигателя до технического совершенства и сделал паровую машину работоспособной и универсальной, что привело к интенсификации развития промышленности, подлинной технической революции, благодаря которой XIX в. назвали «веком пара», Заслуги Джеймса Уатта в технике и энергетике настолько велики, что во всем мире единица измерения мощности была названа в его честь «Watt» (W) [по русски принято читать и обозначать это наименование как «Ватт» (Вт)].

ПЕРВЫЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ

В XVIII в., почти одновременно с появлением работоспособной паровой машины Уатта, так называемые лежневые (деревянные) транспортные дороги стали заменяться на чугунные. Так, первые чугунные рельсы корытообразного типа появились на лежневых дорогах в Англии в 1767 г. на некоторых металлургических заводах. Нужно отметить, что стали и, соответственно, стальных рельсов в то время не было (сталь научатся варить позднее).

Первая российская «чугунка» была построена в 1788 г. под руководством А. С. Ярцева на заводских путях Александровского пушечного завода в г. Петрозаводске и была предназначена для перевозки грузов между цехами.

Таким образом, в конце XVIII в. идея о создании рельсового железнодорожного транспорта имела все основания возникнуть, так как его составные элементы уже были созданы. Три великих изобретения человечества: колесо, рельс и паровая машина уже существовали. Оставалось их соединить, что и было сделано в первой трети XIX в.

ПАРОВОЗЫ

Первый опыт создания паровоза (хотя и не вполне удачный) относится к 1803 г., когда английский изобретатель Ричард Тревитик построил машину (локомотив), способную везти по рельсовому пути состав вагонеток.

Ранние паровозы Тревитика и других изобретателей были весьма несовершенны и недостаточно работоспособны, так же как были несовершенны энергетические установки Севери и Ньюкомена. Например, первый паровоз Тревитика из-за большой собственной массы (6 т) при движении разрушал чугунные рельсы дороги.

Прогресс в области паровозостроения и строительства железных дорог связан с работами английского изобретателя Джорджа Стефенсона (1781 — 1848 гг.), который, начиная с 1814 г, построил десятки паровозов и совершенствовал их устройство, чтобы довести идею Тревитика до рациональной и работоспособной конструкции.

В 1825 г. в Англии была открыта первая в мире железная дорога общего назначения между городами Стоктон и Дарлингтон длиной 21 км, которая была построена под руководством Дж. Стефенсона. Первый поезд по этой дороге провел паровоз Стефенсона «Locomotion» № 1.

Построенный в 1829 г. для железной дороги Ливерпуль — Манчестер, паровоз Стефенсона, имевший собственное имя «Rocket» («Ракета»), показал миру невероятные по тому времени возможности локомотивной тяги по скорости движения на рельсах (38 км/ч). Выдающийся отечественный специалист профессор Ю. В. Ломоносов в 1925 г. написал: «Успех „Ракеты“ решил не только вопрос о тяге на Ливерпуль-Манчестерской ж.д., но и судьбу железных дорог вообще». Уже в 1830 г, появилась машина «Планета» Стефенсона, имевшая все элементы современных паровозов.

Если говорить о роли Стефенсона в развитии локомотивной тяги, надо дополнительно отметить, что он непосредственно связан и с возникновением самого термина «локомотив». Слово «локомотив» появилось в XIX в. и было сначала определением. Как отмечалось ранее, в 1825 г. на открытии дороги Дарлингтон — Стоктон первый поезд вел паровоз Стефенсона. который он назвал «Locomotion». Это сложное английское слово (существительное), имеющее два корня, можно приблизительно перевести на русский, как «самодвижение» или «передвижение» («перемена места»). Поэтому в последующем паровозы, в том числе и созданные другими изобретателями в Англии стали называть «locomotive engines», где «locomotive» было прилагательным от «1осоmotion», т. е. самодвижущиеся машины («еnginе» означает «машина»). Второе слово постепенно отпало, так как машины сами по себе были разные, а прилагательное «1осоmotive» постепенно перешло в существительное и на всех языках мира стало обозначать самодвижущуюся железнодорожную машину, а именно — локомотив с паросиловой энергетической установкой.

В России для этого типа локомотива сложилось наименование «паровоз». (Надо заметить, что это произошло не сразу. Первый отечественный паровоз промышленного назначения, построенный в Нижнем Тагиле М. Е. Черепановым вместе с отцом Е. А. Черепановым в 1833 — 1834 гг., в заводских документах назывался по разному: «сухопутный пароход», «пароходка» и даже «паровая телега»).

Конструкция паровых машин паровозов совершенствовалась, их размеры и мощность постепенно повышались. И сегодня паровозы работают примерно на четверти общей протяженности железных дорог мира. В СССР постройка поездных паровозов прекратилась еще в 1956 г. в связи с переходом на новые виды тяги — тепловозную и электрическую, но на дорогах СССР и России паровозы использовались в поездном движении до конца 80-х годов.

Трудности размещения мощных машин в ограниченных габаритах побуждали изобретателей искать пути преодоления этих ограничений. Одной из них была попытка французского инженера Хельмана, предпринятая еще в конце XIX в., применить на нескольких паровозах электрическую передачу между паровой машиной, размещенной в отдельной секции, и ведущими колесными парами.

Попытка была интересной, но малоэффективной. Дело в том, что выигрыш в кпд для не ограниченного габаритом парового двигателя в значительной мере терялся из-за потерь в самой электрической передаче с ее двойным преобразованием энергии.

Русское паровозостроение стало активно развиваться только после постройки в ноябре 1851 г. железной дороги Петербург — Москва протяженностью 644,6 км с шириной колеи 1524 мм (5 футов). Основоположниками отечественной школы паровозостроения являются инженеры А. П. Бородин и М. В. Гололобов, профессор Петербургского технологического института Н, П. Петров. Первые отечественные магистральные паровозы были построены в 1858 г. на Александровском заводе в Санкт-Петербурге.

В отечественном паровозостроении было много выдающихся специалистов. Особое место среди них занимал академик С. П. Сыромятников (1881 — 1951 гг.), длительное время возглавлявший кафедру «Паровозы» МИИТа и МЭМИИТа. Он разработал теорию теплового процесса паровоза и создал на ее основе методику расчета парового котла. Под руководством СП. Сыромятникова в 1953 г. на Луганском заводе был построен паровоз повышенной эффективности, кпд которого по расчетам мог достичь уровня 11 — 13%, т. е. быть самым высоким в мире.

ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПАРОВОЗА

Паровоз состоит из следующих основных частей (см. рисунок, 1а): парового котла 2, паровой машины 3, кривошипно-шатунного механизма 4, экипажной части.

Паровой котел паровоза предназначен для преобразования внутренней химической энергии топлива (угля) в тепловую энергию пара. Он состоит из трех главных частей: топки 1, цилиндрической части котла 2 и дымовой коробки 7. В нижней части топки 1 расположена колосниковая решетка 8, через которую в топку поступает воздух, необходимый для горения (окисления) топлива. Центральная часть топки имеет два ряда стенок — наружный и внутренний. Наружный ряд стенок образует кожух 9 топки, а внутренний, который облицовывается огнеупорным кирпичом, — огневую коробку 10. Оба ряда стенок соединены между собой связями. В задних стенках топки сделано шуровочное отверстие 11, через которое забрасывают уголь на колосниковую решетку. Передней стенкой топки служит трубная решетка 12.

Цилиндрическая часть котла изготавливается из стальных листов. В ней размещаются дымогарные 13 и жаровые 14 трубы, через которые газы проходят из топки в дымовую коробку 7. В жаровых трубах 14 дополнительно установлены элементы пароперегревателя. Все пространство котла вокруг дымогарных и жаровых труб заполнено водой.

На самом высоком месте цилиндрической части котла 2 размещается сухопарник 15. В верхней части дымовой коробки 7 установлена труба 16, через которую удаляются отработавшие газы.

Рис. 1 — Схема общего устройства и принцип работы паровоза: 1 — топка; 2 — паровой котел; 3 — паровая машина; 4 — кривошипно-шатунный механизм; 5 — ведущее колесные пары; 6 — кабина машиниста; 7 — дымовая коробка; 8 — колосниковая решетка; 9 — кожух топки; 10 — огневая коробка; 11 — шуровочное отверстие; 12 -трубная решетка; 13 -дымогарные трубы; 14 -жаровые трубы; 15 — сухопарник; 16 — трубы для отработавших газов; 17 -ползун; 18 — рама; 19 — бегунковая колесная пара; 20 — поддерживающие колесные пары; 21 — тендер Паровая машина 3 паровоза состоит из цилиндра, поршня и штока. Шток поршня паровой машины соединен с ползуном 17, через который механическая энергия передается на кривошипно-шатунный механизм 4.

Экипажная часть паровоза состоит из кабины (будки) машиниста 6, рамы 18, колесных пар с буксами и рессорного подвешивания. Колесные пары паровоза выполняют различные функции и, соответственно, называются: бегунковые 19, ведущие 5 и поддерживающие 20.

Неотъемлемой, хотя и самостоятельной, частью магистрального паровоза является тендер 21, на котором находятся запасы топлива, воды и смазочных материалов, а также углеподающий механизм.

Принцип работы паровоза основан на следующем (см. рисунок, 4, б). Топливо подается углеподающим механизмом из тендера 21 через шуровочное отверстие 11 на колосниковую решетку 8 огневой коробки топки.

Углерод и водород топлива взаимодействуют с кислородом воздуха, который поступает в топку через колосниковую решетку 8 — идет процесс горения топлива. В результате внутренняя химическая энергия топлива (ВХЭ) преобразуется в тепловую (ТЭ), носителем которой являются газы.

Газы, имея температуру 1000 — 1600 °C, проходят по жаровым и дымогарным трубам и нагревают их стенки. Тепло от стенок топки и труб передается воде. В результате нагрева воды образуется пар, который собирается вверху цилиндрической части котла. Из сухопарника 15 котла пар, имея давление 1,5 МПа (15 кгс/см2) и температуру около 220 °C, поступает в паровую машину 3 (см. рисунок, 4, а).

В паровой машине энергия пара преобразуется в механическую энергию (МЭ) поступательного движения поршня (см. рисунок, 4, б). Далее через шток и ползун энергия передается на кривошипно-шатунный механизм, где преобразуется в крутящий момент Мк, который приводит в движение ведущие колесные пары паровоза. При взаимодействии колес с рельсами крутящий момент Мк реализуется в силу Fк (движущую силу), обеспечивающую движение паровоза.

Паровозы отличают, прежде всего, простота конструкции и, следовательно, высокая надежность в работе, а также потребление самого дешевого топлива (уголь, торф и др.). Однако этот тип локомотивов имеет ряд серьезных недостатков, которые и предопределили его замену на другие виды тяги: очень низкая экономичность паровоза, высокая трудоемкость работы локомотивной бригады, особенно при удалении шлака из топки, высокая стоимость текущего обслуживания и ремонта котла по отношению к затратам на изготовление и эксплуатацию паровоза, небольшой (100 — 150 км) пробег без пополнения запасов угля и до 70 — 80 км — без набора воды.

В чем же причины низкой экономичности паровозов? Перечислим основные пути потерь энергии в паровом котле работающего паровоза:

часть угля (мелкие кусочки), попадая в топку, не сгорает, а проваливается через колосниковую решетку или вместе с газами через трубу выбрасывается в атмосферу;

большие потери тепловой энергии при взаимодействии поверхности котла и окружающего воздуха, особенно в зимнее время;

от газов, уходящих через трубу, которые имеют достаточно высокую температуру (около 400 °С).

Для повышения эффективности процесса теплоотдачи от газов к воде котла потребовалось бы в несколько раз увеличить длину жаровых труб и котла, что в принципе невозможно из-за массогабаритных ограничений локомотива. По этим причинам лишь 50−60% внутренней химической энергии топлива идет на образование и перегрев пара в котле паровоза. Следовательно, кпд топки и котла вместе взятых составляют 50−60% (см. рисунок, 4, б).

И, наконец, принципиальный недостаток паровых машин паровозов — конструктивная невозможность получения их кпд более 15 — 20%. Пар, совершая работу, т. е. перемещая поршень, должен расшириться е объеме, пока его давление не сравняется с атмосферным. Для этого надо многократно увеличить рабочий ход поршня в цилиндре, что в условиях массогабаритных ограничений локомотива сделать невозможно. На отечественных паровозах реально удавалось достигнуть значений кпд паровой машины 12 — 14%.

В целом кпд паровоза, определяемый через произведение кпд отдельных элементов энергетической цепи, может составить 5 — 7%, т. е. из каждых 100 т угля лишь 5 — 7 т. идет на создание движущей силы, остальное безвозвратно теряется (идет на нагревание и загрязнение окружающей среды).

Какими же путями можно повысить эффективность паровозной тяги?

Первый. Если котлы отдельных паровозов объединить и поставить на землю, теплоизолировать их от окружающей среды (построить здание), существенно повысить давление пара в котлах, а паровую машину заменить на более экономичный двигатель, например, на паровую турбину, энергию которой передать электрическому генератору, то в результате получим тепловую электростанцию. От нее можно электрическую энергию передать к локомотивам, снабдив их колесные пары электродвигателями. Так возникла идея использования для тяги электрических локомотивов — электровозов.

Второй. Если вместо пароэнергетической установки внешнего сгорания (котла и паровой машины) поставить на локомотив двигатель внутреннего сгорания — получится тепловоз; если газотурбинный двигатель — газотурбовоз; атомный реактор — атомный локомотив.

И третий. Если заменить на паровозе паровую машину и кривошипно-шатунный механизм на турбогенератор (паровую турбину и электрический генератор) и снабдить колесные пары электродвигателями — возникнет паротурбовоз.

локомотив паровоз двигатель тяга

1. Громов И. Н. Единая транспортная система. Изд. «Транспорт» М., 1989.

2. Ишков А. Г. Проблемы охраны окружающей среды на ж/д транспорте. Железнодорожный транспорт. Изд. «Транспорт» М., 2005.

3. Павлов В. П. Железнодорожная статистика // Железнодорожный транспорт. Изд. «Транспорт». М., 2005.