Устройство паровоза: как устроен паровоз и как пар крутит колёса

Паровоз — локомотив, который едет за счёт силы пара. По сути это большой котёл, поставленный на колёса вместе с паровой машиной. В топке горит уголь или дрова, горячие газы проходят по трубам внутри котла и кипятят воду вокруг них. Пар под давлением идёт в цилиндры и толкает поршни взад-вперёд, а дышла — стальные тяги — превращают это движение во вращение колёс. Отработанный пар вылетает в дымовую трубу и заодно раздувает огонь. Ниже — из чего состоит паровоз, как пар крутит колёса, чем паровоз отличается от тепловоза и немного истории — от «Ракеты» Стефенсона до паровоза Черепановых и серии Э.

Из чего состоит паровоз

Пройдём по пути огня и пара — от топки к колёсам.

Часть	Что делает
Топка	Коробка в задней части котла, где на колосниковой решётке горит уголь
Котёл	Длинный цилиндр с водой, сквозь который проходят десятки труб с горячими газами
Дымогарные и жаровые трубы	Ведут газы из топки через воду к передней части котла; отдают тепло воде
Сухопарник	Колпак наверху котла, где собирается сухой пар без брызг воды
Регулятор	Кран, которым машинист пускает пар к цилиндрам и меняет силу тяги
Пароперегреватель	Трубки внутри жаровых труб; догревают пар, чтобы он работал сильнее
Золотник	Клапан у цилиндра; поочерёдно пускает пар то с одной, то с другой стороны поршня
Цилиндр и поршень	Пар давит на поршень и толкает его
Крейцкопф и ведущее дышло	Передают ход поршня на кривошип ведущего колеса
Сцепные дышла	Связывают все ведущие колёса, чтобы они крутились вместе
Реверс	Рычаг или винт в будке: меняет направление движения и время впуска пара
Дымовая коробка и труба	Спереди котла; через конус сюда выбрасывается отработанный пар
Тендер	Прицепная повозка с углём и баком воды

В будке машиниста стоят регулятор, реверс, тормозной кран, водомерные стёкла, по которым видно уровень воды в котле, и манометр давления пара.

Как пар крутит колёса

1. Огонь. Кочегар забрасывает уголь в топку, он горит на решётке, снизу подходит воздух.
2. Вода закипает. Горячие газы из топки проходят по трубам через весь котёл. Вода вокруг труб нагревается и кипит, пар поднимается в сухопарник. Давление в котле растёт до рабочего.
3. Пар к цилиндрам. Машинист открывает регулятор. Пар идёт через пароперегреватель, где становится ещё горячее, и по трубам попадает к золотникам.
4. Поршень ходит туда-сюда. Золотник впускает пар с одной стороны поршня — поршень едет вперёд. Затем золотник переключается, пар идёт с другой стороны — поршень едет назад. Каждый ход рабочий.
5. Колесо вращается. Шток поршня двигает крейцкопф по направляющей, от него ведущее дышло тянет и толкает кривошип на колесе, как нога велосипедиста педаль. Возвратно-поступательное движение становится вращением.
6. Все колёса вместе. Сцепные дышла передают вращение на остальные ведущие колёса, чтобы паровоз не буксовал одной осью.
7. Выхлоп. Отработавший пар из цилиндра выбрасывается через конус в дымовую трубу. Струя пара утягивает за собой дымовые газы и создаёт разрежение в дымовой коробке. Воздух сильнее втягивается в топку, уголь горит жарче.

Цилиндров обычно два, по одному с каждой стороны, и кривошипы на них сдвинуты на четверть оборота. Поэтому паровоз может тронуться при любом положении колёс: если один поршень в мёртвой точке, второй толкает.

Хитрость с тягой. Шаг 7 — главная находка паровоза. Чем быстрее он едет и чем больше тратит пара, тем чаще выхлопы и тем сильнее тяга в топке. Паровоз сам раздувает свой огонь ровно настолько, насколько ему нужно. Каждый выхлоп — это и есть звук «чух».

Как паровоз едет назад. Реверс меняет момент, когда золотник впускает пар. Сдвинули реверс — пар приходит в цилиндр раньше с другой стороны, и колёса крутятся в обратную сторону. Тем же реверсом машинист на скорости сокращает впуск пара: пар успевает расшириться в цилиндре и отдать больше работы, экономя воду и уголь.

Как вода попадает в котёл. В котле давление в десятки раз выше атмосферного, и просто налить туда воду нельзя. Воду подавали насосами и инжекторами. Инжектор — прибор без движущихся частей: струя пара из того же котла разгоняется в сопле, захватывает воду из тендера и с такой скоростью влетает в котёл, что преодолевает его давление.

Зачем паровозу песок. На мокрых или обледеневших рельсах тяжёлые колёса буксуют. Из песочницы наверху котла по трубкам под колёса сыпали сухой песок, и сцепление с рельсами улучшалось.

Чем паровоз отличается от тепловоза и электровоза

Паровоз и тепловоз. У паровоза топливо горит снаружи машины — в топке, а работает пар. У тепловоза топливо горит прямо в цилиндрах дизельного двигателя, а тот крутит генератор, который питает тяговые электромоторы на осях. Двигатель внутреннего сгорания тратит топливо в разы экономнее. Как устроен такой мотор, рассказано в статье об устройстве дизельного двигателя.

Паровоз и электровоз. Электровоз ничего не сжигает: он берёт ток из контактного провода через токоприёмник. Сам электровоз проще и чище, но линии нужна контактная сеть.

Паровоз и паровая турбина. В паровозе пар толкает поршень, в турбине он крутит колесо с лопатками. Турбина работает ровнее и мощнее, поэтому именно ей пар вращает генераторы электростанций, например атомной.

Немного истории

Паровоз как рабочая машина появился в Англии. Широко известна «Ракета» Джорджа и Роберта Стефенсонов, которая в 1829 году выиграла соревнование паровозов для новой железной дороги Ливерпуль — Манчестер. В ней уже были многотрубный котёл и выброс пара в трубу для тяги.

Первый паровоз в России построили отец и сын Ефим и Мирон Черепановы — механики уральских заводов Демидовых в Нижнем Тагиле. Их машина пошла по заводскому пути в 1834 году. Широкого применения она не получила, но показала, что паровоз можно сделать на своих заводах.

Самый массовый паровоз в истории страны — серия Э, «эшка»: грузовой паровоз с пятью ведущими осями. Их построили больше десяти тысяч, в том числе на заводах за границей, и они таскали поезда по всему СССР несколько десятилетий. Для пассажирских поездов делали быстрые машины с большими колёсами — например, знаменитую серию Су.

Интересные факты

• Почему ведущие колёса у пассажирских паровозов огромные. За один двойной ход поршня — туда и обратно — ведущее колесо делает ровно один оборот. Чем больше колесо, тем больше путь за оборот и тем выше скорость при тех же ходах поршня. Грузовым нужна сила, поэтому колёса у них меньше, а осей больше.
• Откуда белые клубы. Чёрный дым — это сгоревший уголь. Белые облака — пар: отработанный из трубы и сбрасываемый из цилиндров при трогании, чтобы выпустить сконденсировавшуюся воду.

Слабые места паровоза

• Вода в котле. Уровень воды должен всегда закрывать потолок топки. Если он опустится, металл перегреется и котёл может взорваться. За этим следила бригада по водомерным стёклам, а в потолке топки ставили легкоплавкую пробку, которая при перегреве выпускала пар и предупреждала о беде.
• Накипь. Жёсткая вода оставляла на трубах соли, они хуже передавали тепло и прогорали. Котлы регулярно промывали.
• Постоянное обслуживание. Чистка топки от шлака, набор угля и воды, смазка десятков трущихся деталей. Паровоз требовал многих часов работы депо на каждый рейс.
• Низкий коэффициент полезного действия. Большая часть тепла угля уходила в трубу вместе с дымом и паром.

Эти недостатки и решили судьбу паровоза: его сменили тепловозы и электровозы, которым для той же работы нужно гораздо меньше топлива и людей.