«Справочник по железнодорожному строительству для американских инженеров»

РОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ПАРОВОЗА.

294. Сама идея применения пара для передвижения принадлежит несчастному Соломону де Кау из Нормандии (Франция), который был заточен в сумасшедший дом за упорные утверждения о том, что с помощью пара можно заставить двигаться колесные экипажи.

295. В 1784 году Уильям Мёрдок, друг и помощник Джеймса Уатта, построил бескомпрессорный паровоз в масштабе около одного дюйма на фут, имевший

Cylinders, ¾ × 2 inches,

Wheels, 9½ inches,

and Weight, 10 lbs.

Однако этот маленький паровозик развивал скорость десять миль в час.

296. В 1802 году Ричард Тревитик запатентовал применение паровой машины без конденсации для приведения в движение экипажей на железных дорогах; его паровоз был оснащен одним горизонтальным цилиндром, который передавал мощность на колеса посредством зубчатой передачи.

297. В 1825 году впервые была применена тележка для разгрузки ведущих колес от части веса и обеспечения возможности паровозу свободно проходить кривые.

298. В 1827 году Тимоти Хэкворт применил выхлопную трубу для создания тяги. Он также установил пружинные манометры на предохранительные клапаны и использовал отработавший пар для подогрева питательной воды. Этот паровоз вел поезд весом сто тонн со скоростью пять миль в час и сорок пять тонн на уклоне в пятьдесят футов.

299. В 1828 году М. Сеген (Франция) внедрил многотрубный котел.

300. В 1829 году дирекция Ливерпульско-Манчестерской железной дороги объявила премию за лучший локомотив, который мог бы вести груз, втрое превышающий его собственный вес, со скоростью десять миль в час. Паровоз «Рокета», построенный Робертом Стефенсоном из Ньюкасла-апон-Тайн, успешно выдержал состязание и провел требуемый груз на расстояние в семьдесят миль со средней скоростью 13,8 мили в час; его максимальная скорость составляла двадцать девять миль в час; он выпаривал 5,4 фунта воды на фунт кокса и 18,24 кубических фута воды в час.

301. С 1830 по 1840 год изменения касались скорее размеров, пропорций и компоновки, нежели основных элементов парообразования.

302. В 1840 году несколько паровозов с телерочной рамой были отправлены в Англию с завода Норриса в Филадельфии. Эти локомотивы могли вести груз весом в сто двадцать тонн на уклоне в шестнадцать футов со скоростью двадцать миль в час.

303. В 1845 году на Великую западную железную дорогу Англии поступил паровоз весом двадцать две тонны с цилиндрами 15¾ × 18 дюймов, колесами диаметром 7 футов и площадью поверхности нагрева 829 квадратных футов. Этот локомотив вел поезд весом семьдесят шесть с половиной тонн со скоростью пятьдесят девять миль в час. Расход кокса составлял 35,3 фунта на милю, а воды — 201,5 кубического фута в час.

АНГЛИЙСКИЙ ЛОКОМОТИВ 1850 ГОДА.

304. «Ne plus ultra» для семифутовой колеи (Великая западная железная дорога), созданный Гучем, имеет внутренние цилиндры размером 18 × 24 дюйма, одну пару ведущих колес диаметром восемь футов, площадь колосниковой решетки двадцать один квадратный фут. Поверхность топки — сто пятьдесят три фута. Триста пять труб диаметром два дюйма, дающие 1799 футов поверхности. Общая поверхность нагрева — 1952 квадратных фута. Вес паровоза в порожнем состоянии — тридцать одна тонна; тендера — восемь с половиной тонн; общий вес с дровами и водой — пятьдесят тонн. Испарительная способность — триста кубических футов воды в час. Этот паровоз может вести двести тридцать шесть тонн со скоростью сорок миль в час.

Максимум для Лондонской и Северо-Западной железной дороги с колеей четыре фута восемь с половиной дюймов (патент Крэмптона) имеет цилиндры 18 × 24 дюйма; колеса диаметром восемь футов; двести две трубы с внешним диаметром три шестнадцатых дюйма; колосниковую решетку площадью двадцать один с половиной квадратный фут; поверхность топки — сто пятьдесят четыре фута; поверхность труб — 2136 футов; общую поверхность нагрева — 2290 квадратных футов; вес в снаряженном состоянии — тридцать пять тонн; двенадцать тонн на ведущие колеса; тендер в снаряженном состоянии — двадцать одна тонна; общий вес — пятьдесят шесть тонн.

АМЕРИКАНСКИЙ ЛОКОМОТИВ 1855 ГОДА.

305. Паровоз «Чарльз Эллет-младший» провел 9 августа 1854 года сорок тонн на уклоне в двести семьдесят пять футов на милю и на уклонах в двести тридцать восемь футов на кривых радиусом триста футов. Этот паровоз имеет колеса диаметром четыре с половиной фута, сцепленные на расстоянии семи футов друг от друга; цилиндры 14 × 26 дюймов и весит, включая дрова и воду, 53 058 фунтов. Это танк-паровоз, тендер в нем отсутствует, а вместо него используется цистерна, вмещающая сто кубических футов воды, и одна сажень дров. Этот паровоз был построен фирмой «Ричард Норрис и сын».

Паровоз, построенный паросиловой компанией «Куяхога» из Кливленда (штат Огайо), совершил следующий пробег.

Обычный пассажирский поезд был проведен на расстояние сто одна миля с преодолением общей высоты подъемов в 1255 футов, с двадцатью остановками, со средней скоростью двадцать пять миль в час при расходе всего девяноста кубических футов дров.

Тот же паровоз провел средний состав из трех с третью вагонов на расстояние четыреста тридцать миль, сделав семьдесят пять остановок, преодолев общую высоту подъемов в 5439 футов, со средней скоростью двадцать пять миль в час, затратив лишь один тендер, полный только дров.

В июле и августе 1856 года два паровоза Тихоокеанской железной дороги (Миссури) — один производства компании «Р. К. и Г.», а другой — компании «Палм и Робертсон» — прошли по сто двадцать с лишним миль каждый с тремя пассажирскими и одним багажным вагонами, израсходовав всего одну сажень дров.

Примечание. — В качестве интересного примера того, на что способен американский локомотив, и иллюстрации чисто американской инженерной мысли читателю рекомендуется ознакомиться с описанием «дороги на вершине горы» на перевале Рок-Фиш-Гап на хребте Блю-Ридж (Виргиния), построенной Виргинской центральной дорогой, составленным инженером, под чьим руководством проект был предложен и осуществлен (эсквайром Чарльзом Эллетом), откуда взята следующая выдержка:—

«Восточный склон имеет длину 12 500 футов и подъем 610 футов; средний уклон составляет 257 4/10 фута, а максимальный — 295 68/100 фута на милю. Наименьший радиус кривизны — 234 фута, на этой кривой уклон равен 237 6/10 фута на милю. Западный склон имеет длину 10 650 футов и спуск 450 футов; средний уклон равен 223 1/10, а диапазон — 279 84/100 фута на милю.

„Паровозы, которые поднимали составы весом от двадцати пяти до пятидесяти тонн по одному склону со скоростью семь с половиной миль в час и спускались по противоположному со скоростью шесть миль в час, совершая четыре поездки по восемь миль в день в течение трех лет, были спроектированы и построены фирмой М. В. Болдуин и К° в Филадельфии и имеют три пары колес диаметром сорок два дюйма, полностью сцепленных, с базой по ребордам 9 футов 4 дюйма, цилиндры размером 16½ × 20 дюймов, весят с дровами и водой 55 000 фунтов, или двадцать семь с половиной тонн. Они работают без тендера, паровоз перевозит собственный запас воды и топлива; благодаря этому достигается двойное преимущество: увеличивается сцепление паровоза и устраняется сопротивление тендера“.

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ.

306. Локомотив представляет собой бескомпрессорный паровоз высокого давления, работающий с большей или меньшей степенью расширения в зависимости от выполняемой работы и установленный на колесах, которые связаны с поршнем таким образом, что любое движение последнего передается первым, благодаря чему приводится в движение весь механизм.

Усилие, развиваемое в цилиндре и приведенное к окружности ведущего колеса, называется тяговым усилием; его величина зависит от диаметра цилиндра и давления пара, от диаметра колеса и длины хода поршня, причем последняя представляет собой расстояние между центром колеса и точкой приложения силы.

Средством, с помощью которого тяговое усилие используется для перемещения паровоза и его состава, является сопротивление, которое колесо оказывает проскальзыванию по рельсу, или его зацепление, называемое сцеплением; оно прямо пропорционально весу, приходящемуся на колеса, но также зависит от состояния рельсов. Оно варьируется от нуля, когда на рельсах есть лед, до одной пятой веса, приходящегося на ведущие колеса, когда рельс чист и сух, а в некоторых случаях достигало почти одной трети. Оно должно быть достаточным для преодоления максимальной силы тяги, то есть колесо не должно проскальзывать, когда паровоз выполняет свою наибольшую работу.

Парообразование, тяговое усилие и сцепление — это три элемента, которые определяют способность паровоза выполнять работу. Пропорции и размеры машины зависят от требуемой от нее работы; достаточное сцепление для получения необходимого эффекта должно достигаться скорее за счет правильного распределения, а не за счет увеличения веса.

На рис. 150 показано относительное расположение деталей в паровозе современной американской конструкции.

1 2, Grate upon which the fuel is placed.

1 2 3 4, Interior fire-box.

5 6, Exterior fire-box.

7 7 8 8, Shell of the boiler.

9 9, Boiler flues.

10 11 12 13, Exhaust chamber, or smoke box.

14, Steam dome, entrance to steam pipe.

15, Steam pipe.

16, Piston.

18, Piston rod.

19, Connecting rod.

20, Crank.

21, Driving wheel.

22, Blast pipe.

23, Chimney.

27 28, Leading wheels, supporting the front end of the engine, turning on a swivel, 29.

30, “Blow off” safety-valve.

Рис. 150.

307. Процесс генерации и подачи пара для создания движения заключается в следующем:—

Котел и пространство между двумя топками заполняются водой (настолько высоко, чтобы по меньшей мере покрыть дымогарные трубы и верх внутренней коробки); к топливу, помещенному на колосниковой решетке, подводится огонь; тепло, заполняющее топку и трубы, передается воде и превращает ее в пар, который, поступая в горловину трубы 15, направляется в цилиндр, где заставляет поршень дойти до конца хода. Это движение передается через шатуны и кривошипы на колеса, которые, вращаясь, перемещают паровоз по рельсам. В то же время эксцентрики, расположенные на ведущей оси, приводят в движение механизм золотников и через них золотники, с помощью которых впуск пара в один конец цилиндра прекращается и начинается в другом. Объем пара, поступивший за первую половину хода, вытесняется из цилиндра возвращающимся поршнем вверх по выхлопной трубе и выходит в дымовую трубу, где создается разрежение, которое может пополняться воздухом только из камеры 10 11 12 13; после нескольких ходов воздух откачивается из камеры, которая может быть заполнена снова только наружным воздухом, протягиваемым через топливо, топку и трубы. Чем полнее это разрежение, тем сильнее поток воздуха, протягиваемый через огонь, каковой (поток) и составляет тягу. Поступление свежего воздуха регулируется дроссельной заслонкой, расположенной в точке 2. Топливо загружается на колосниковую решетку через дверцу в задней части топки. Необходимый уровень воды поддерживается в котле насосами, приводимыми в действие паровозом таким образом, чтобы всегда обеспечивать надлежащую подачу. Пропорции и размеры котла, машины и экипажа, а также правила их расчета будут рассмотрены в ближайшее время.

РАБОТА, ОЖИДАЕМАЯ ОТ ПАРОВОЗОВ. 308. Работа, требуемая от любого паровоза, зависит от характера и объема перевозок, а также от физических особенностей дороги.

Характер перевозок — будь то громоздкие или компактные грузы, требующие быстрой или медленной доставки — в определенной степени определяет количество и размеры поездов, а следовательно, количество и мощность паровозов.

Дорога с крутыми уклонами и резкими кривыми при том же объеме перевозок будет нуждаться в более мощных паровозах, чем дорога с пологими уклонами и плавными кривыми.

Количество тягового усилия и стоимость его эксплуатации в значительной степени зависят от расположения уклонов по отношению к направлению движения перевозок. Наиболее экономичной в эксплуатации дорогой будет либо ровная дорога, либо такая, где основная масса перевозок перемещается под уклон.

Минеральный, коммерческий или сельскохозяйственный характер местности определяет направление перевозок, а физические особенности — расположение уклонов.

Различные виды работы, требующиеся от локомотивов, обусловливают необходимость использования паровозов с различными пропорциями; а различные классы железных дорог требуют паровозов, обладающих различной мощностью.

309. Классификация локомотивов должна определяться в соответствии со следующими соотношениями.

Department depends upon commercial duty.

Division depends upon character of road.

Order depends upon weight of trains.

Class depends upon speed of trains.

Примечание. — Общая классификация приведена в конце этой главы.

Высокие скорости движения обычно сочетаются с легкими поездами, а тяжелые поезда должны двигаться с меньшими скоростями.

Большие скорости требуют быстрого производства и потребления большого объема пара малой плотности; больших колес и короткого хода, чтобы отношение скоростей поршня и колеса было как можно больше.

Тяжелые поезда потребляют меньше пара по объему на милю, но гораздо большей плотности, и сочетают длинный ход с малым колесом, за счет чего достигается большое плечо рычага.

В целом паровозы для зимней эксплуатации должны быть тяжелее тех, что используются летом, по той же причине, поскольку природные факторы зимой сильнее препятствуют сцеплению.

Паровоз может быть скомпонован так, чтобы двигаться с любой скоростью от десяти до шестидесяти миль в час на уклонах от десяти до двухсот футов на милю и перевозить составы весом от двухсот до двух тысяч тонн.

Правила, с помощью которых определяются размеры, необходимые для выполнения любой требуемой работы, основаны на самых простейших механических законах.

Примечание. — Формулы, выражающие наиболее правильные соотношения, которые должны существовать между различными паропроизводящими и паропотребляющими частями, более надежны, чем утверждения любого механика в Америке, и хотя взяты из книг, они являются результатом опыта наиболее способных и практических людей за двадцать лет. Рабочие слишком склонны презирать книжные знания, забывая, что именно те знания, которые они презирают, являются результатом большей практики, чем может дать им целая жизнь. Управляющие железными дорогами слишком склонны принимать за неоспоримые мнения людей, которые являются практиками просто потому, что они ничего не понимают в принципах.

С тех пор как появился труд Д. К. Кларка (Англия), любой размер от начала до конца локомотива может быть установлен с точностью до одной восьмой дюйма с абсолютной правильностью, и нет никакого оправдания отступлению от правильных пропорций. Из того, что паровоз действительно начинает движение и ведет поезд, вовсе не следует, что он сделан правильно. Скаковая лошадь может тащить плуг, а пара быков — легкую беговую коляску, но это отнюдь не является правильным применением мощности.

310. Элементы, определяющие требования к мощности, суть следующие:

The maximum grades.

The weight of the train.

The required speed.

И элементы, определяющие нашу способность производить требуемую мощность:

The grate area.

The heating surface.

The cylinder diameter.

The steam pressure.

The stroke.

The diameter of wheels.

The weight upon driving wheels.

МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ, УПРАВЛЯЮЩИЕ КОНСТРУКЦИЕЙ ПАРОВОЗА.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ ПОЕЗДОВ.

311. Точное сопротивление движению поезда не может быть определено, так как некоторые из элементов весьма переменчивы; например, состояние погоды. Приближенная оценка, достаточно близкая для практики, получается легко. Чтобы прийти к достоверным данным, наблюдения должны проводиться на поездах, работающих в тех же условиях, которым они подвергаются на практике.

Общее сопротивление складывается из нескольких частичных сопротивлений, некоторые из которых постоянны при любых скоростях, а некоторые возрастают с увеличением скорости.

Сопротивление паровоза и тендера состоит из трения поршней, крейцкопфов, золотников, кривошипов, эксцентриков, насосов, противодавления выхлопа и различных хаотичных перемещений — раскачки, скручивания и подпрыгивания, а также трения колес и осей, общего для паровоза и тендера.

Аэродинамическое сопротивление обусловлено не столько прямым воздействием воздуха на лобовую и боковые части поезда в целом, сколько главным образом действием разрежения в хвостовой части. Поезд должен, так сказать, тащить за собой большую колонну воздуха, подобно воде в кильватере корабля; форма или величина лобовой поверхности оказывает мало влияния или не оказывает его вовсе. Сопротивление зависит от объема поезда и его скорости. Поезд с той же лобовой поверхностью оказывает большее сопротивление по мере увеличения своего объема.

Колебательное сопротивление вызывается неровностями поверхности рельсов и возрастает с увеличением скорости, а также с увеличением высоты центра тяжести вагона или паровоза.

Сопротивление трения можно разделить на трение колес и осей. Трение оси состоит из двух частей: прямого вертикального трения на шейке и бокового трения на буртике, возникающего вследствие поперечного движения. Вертикальное трение не зависит от площади соприкосновения или скорости, но прямо пропорционально давлению, и то же замечание относится к трению буртиков. С увеличением диаметра колеса раскачка усиливается, так как поднимается центр тяжести. Непосредственной причиной вертикального трения является вес вагона или паровоза, а также поперечные неровности поверхности рельсов, которые заставляют вагон раскачиваться из стороны в сторону. Трение колеса, которое действует между поверхностью катания колеса и поверхностью рельса, возрастает с увеличением нагрузки и уменьшается по мере увеличения диаметра колеса.

Для полного сопротивления движению поезда Д. К. Кларк приводит следующую формулу:—

V2

171 + 8 = R,

Where R is the resistance in lbs. per ton,

and V the velocity in miles per hour.

Из этого выражения мы составляем следующую таблицу:—

Velocity in miles per hour. Resistance in lbs. per ton.

10 8.585

12 8.842

15 9.315

20 10.339

25 11.655

30 13.263

40 17.356

50 22.620

60 29.052

100 66.480

Из огромного числа экспериментов, проведенных г-ном Кларком, относительное сопротивление движению паровозов с внутренним и внешним соединением выглядит следующим образом:—

Inside connections 17

Outside connections 14

Влияние кривых, неудовлетворительного состояния пути и встречных ветров составляет (по мнению того же автора) следующие проценты:—

Bad state of the road 40

Curves 20

Strong head and side winds 20

In all 80

Сопротивление от уклонов зависит исключительно от крутизны подъема и совершенно не зависит от всех прочих соображений. Относительное влияние уклонов уменьшается с абсолютным увеличением сопротивления на горизонтальном участке. Так, обычные дороги допускают более крутые уклоны, чем железные дороги, поскольку сопротивление на горизонтальном участке у первых значительно больше, чем у вторых.

Точное определение сопротивления от любого уклона зависит от простейшего механического принципа, регулирующего движение на наклонной плоскости. На каждый фут подъема уклона на милю сопротивление на одну тонну составляет

2240 × 1

5280.

Таким образом, сопротивление для одной тонны на сорокафутовом уклоне равно

2240 × 40

5280 or 17 lbs.

И если мы движемся со скоростью тридцать миль в час, сумма всех остальных сопротивлений согласно формуле или таблице в конце главы XIV, часть I, составляет 13,3 фунта на тонну; откуда общее сопротивление движению одной тонны со скоростью тридцать миль в час на сорокафутовом уклоне равно

17 + 13.3 or 30.3 lbs.

а для ста тонн оно будет в сто раз больше. Таблица 1 в конце главы XIV, часть I, дает общее сопротивление движению поездов весом от пятидесяти до одной тысячи тонн, движущихся со скоростями от десяти до ста миль в час, а таблица 2 дает сопротивление на уклонах от десяти до ста футов на милю.

ТЯГОВОЕ УСИЛИЕ И СЦЕПЛЕНИЕ.

312. Полное давление пара на оба поршня, приведенное к рельсу с помощью кривошипа, шатуна, штока поршня и колеса, называется «тяговым усилием». Это тяговая мощность паровоза. Ее величина зависит от диаметра цилиндра, давления пара, длины хода поршня и диаметра колеса.

Увеличивая давление пара, мы увеличиваем мощность. Увеличивая диаметр цилиндра, мы увеличиваем мощность. Увеличивая ход поршня, мы увеличиваем мощность. Уменьшая диаметр колеса, мы увеличиваем мощность. И, регулируя размеры вышеупомянутых деталей, мы можем придать паровозу любую желаемую мощность.

Формула, выражающая тяговую мощность паровоза любых размеров, имеет вид

(2A) P × 2S

C.

Where A = the area of one piston.

P = the steam pressure in cylinder per square inch,

S = the stroke in inches.

C = the circumference of the wheel in inches.

Словесно эта формула выражается следующим образом: Удвойте ход поршня и умножьте его на полное давление пара на оба поршня; разделите произведение на окружность ведущего колеса в дюймах.

СЦЕПЛЕНИЕ. 313. Как отмечалось на странице 307, сцепление или зацепление колес с рельсом составляет в среднем от одной пятой до одной шестой части веса: одну пятую, когда рельс в хорошем состоянии, и меньше, когда он мокрый или замасленный; на практике мы не можем рассчитывать более чем на одну шестую. Следовательно, если тяговое усилие паровоза составляет 3000 фунтов, то для его реализации мы должны поместить 3000 × 6, или 18 000 фунтов, на те колеса, которые связаны с механизмом (ведущие колеса).

ТОПЛИВО.

314. Топливом, используемым в паровозе для испарения воды, служат дрова, уголь и кокс. В Англии кокс используется исключительно. В Америке дрова из-за их дешевизны получили довольно широкое распространение; но в последнее время железнодорожные компании обратили свое внимание на уголь и кокс.

Огромные залежи угля, рассредоточенные по всей территории Соединенных Штатов, будут снабжать железнодорожные компании топливом практически без ограничений. Его залегание, равно как и количество, сделают его применение практичным почти во всех штатах. Один только Огайо содержит больше угля, чем вся Великобритания. Следующая таблица взята из труда по чугунолитейному производству Фредерика Овермана.

Name of State. Area of Coal-fields.

Georgia 150 square miles.

Maryland 550 square miles.

Alabama 3,400 square miles.

Tennessee 4,300 square miles.

Michigan 5,000 square miles.

Missouri 6,000 square miles.

Indiana 7,700 square miles.

Ohio 11,900 square miles.

Kentucky 13,500 square miles.

Pennsylvania 15,437 square miles.

Virginia 21,195 square miles.

Illinois 44,000 square miles.

In all 133,132 square miles.

315. Следующая таблица (также из трудов Овермана) дает характеристику и испарительную способность различных американских углей.

Name of Coal. State where found. Percentage of carbon. Steam of 212° evaporated per lb. Quantity of heat by volume. Percentage of coke by weight.

Anthracite.

Beaver Meadow, Pa. 88.9 10.4 94

Forest Improvement, Pa. 90.7 10.8 94

Lehigh, Pa. 89.1 9.6 94

Lackawanna, Pa. 87.7 10.7 94

Coke.

Midlothian, Va. 10.3 92 .66

Cumberland, Md. 10.3 92 .75

Bituminous.

Maryland, Md. 73.5 11.2 85

Cumberland, Md. 74.3 11.0 85

Blossburg, Pa. 73.4 10.9 85 .83

Karthans, Pa. 73.8 9.8 85 .88

Cambria County, Pa. 69.4 10.2 85

Clover Hill, Va. 56.8 8.5 85 .68

Tippecanoe, Va. 64.6 8.5 85

Pittsburgh, Pa. 55.0 8.9 85 .68

Missouri, Mo. .57

316. Использование различных сортов древесины зависит скорее от их физических, чем от химических свойств. Следующая таблица показывает удельный вес, свойства и испарительную ценность различных пород.

Species. Specific gravity green. Specific gravity air dried. Specific gravity kiln dried. Degrees of heat which may be generated. Percentage of Charcoal. Quantity of heat as to volume. Weight of one cord in lbs. Relative value as fuel. Species.

Hickory, 3000 44.69 25 4469 1.00 Hickory.

White Oak, 1.07 0.71 0.66 3000 21.62 25 3821 0.81 White Oak.

Black Oak, 3000 23.80 25 3254 0.71 Black Oak.

Red Oak, 1.05 0.68 0.66 3000 22.43 25 3254 0.69 Red Oak.

Beech, 0.98 0.59 0.58 3000 32.36 25 3236 0.65 Beech.

Birch, 0.90 0.63 0.57 3000 25 Birch.

Maple, 0.90 0.64 0.61 3000 27.00 25 2700 0.57 Maple.

Yellow Pine, 2800 24.63 23 2463 0.54 Yellow Pine.

Chestnut, 3000 25.25 25 2333 0.52 Chestnut.

Pitch Pine, 2800 19.04 23 1904 0.43 Pitch Pine.

White Pine, 0.87 0.47 0.38 2800 18.68 23 1868 0.42 White Pine.

Species. Specific gravity green. Specific gravity air dried. Specific gravity kiln dried. Degrees of heat which may be generated. Percentage of Charcoal. Quantity of heat as to volume. Weight of one cord in lbs. Relative value as fuel. Species.

Относительную ценность дров и угля иллюстрируют следующие результаты опыта.

В топках паровозов Балтиморской и Огайской железной дороги 2,55 фунта сосновых дров оказались эквивалентны одному фунту камберлендского угля.

На Редингской железной дороге (Пенсильвания) три фунта сосновых дров равны одному фунту антрацита.

Г-н Хасвелл оценивает содержание углерода в лучших сортах древесного топлива в двадцать процентов.

Уолтер Р. Джонсон обнаружил, что один фунт дров в среднем выпаривает два с половиной фунта воды.

Средний процент выхода кокса из американского битуминозного угля по данным приведенной выше таблицы составляет семьдесят три процента, а среднее содержание углерода — шестьдесят семь с половиной процентов.

317. Следующая таблица показывает относительные свойства хорошего кокса, угля и дров.

Name of fuel. Weight per cubic foot, in lbs. Degrees of heat generated. Percentage of carbon, in the fuel. Economic bulk, or cubic feet required to stow one ton. Economic, or stowage weight per cubic foot. Cubic feet of air to evaporate one lb. of water. Equivalent economic bulk, to evaporate the same weight of water. Weight of water evaporated per lb.of fuel in ordinary practice. Relative value as fuel, disregarding the actual cost.

Coke. 63 4300 95 80 28 22.4 13 8½ 100

Coal. 80 4000 88 44 51 32.0 10 6 71

Wood. 30 2800 20 107 21 16.0 60 2½ 29

Теплотворная способность топлива зависит от количества содержащегося в нем углерода.

Чистый кокс представляет собой твердый углерод.

Отсюда его превосходящая ценность как генератора тепла.

О ПРОЦЕССЕ КОКСОВАНИЯ. 318. Антрацит используется в качестве топлива для паровозов в своем естественном состоянии. Он применяется главным образом на дорогах восточного склона Аллеганских гор. Битуминозный уголь залегает в долине Миссисипи и встречается повсюду между вершинами Аллеган и Скалистыми горами. В своем естественном состоянии он содержит столько смолистых веществ, что это делает его непригодным для паровозных нужд. При нагревании он плавится, спекается в массу и забивает колосниковую решетку, требуя частой шуровки и сильной тяги. Но когда битум выжигается путем медленного и тщательного обжига (как описано ниже), ни одно топливо не сравнится с ним.

Подобно тому как обугленная древесина является древесным углем, обугленный уголь — это кокс. Кокс представляет собой битуминозный уголь, лишенный битума; сырой уголь обжигается в печах с вентиляционными отверстиями, отрегулированными так, чтобы пропускать ровно столько воздуха, сколько необходимо для обугливания угля без его сжигания. Когда печи закрываются в нужный момент, огонь постепенно гасится, а кокс уплотняется в крупные массивы, которые перед извлечением необходимо раскалывать. Уголь можно коксовать путем укладки свободными кучами, укрывания землей и розжига через отверстия, которые через сорок или пятьдесят часов закрываются. Однако при подготовке кокса в больших количествах, требуемых для железных дорог, и для получения наилучшего качества необходимо проявлять немалую заботу.

Вероятно, нигде не производят столько кокса и такого высокого качества, а также не ведут этот процесс более искусно, чем на станции Кэмден-Таун Лондонской и Северо-Западной железной дороги (Англия).

Компания построила восемьдесят печей в два ряда, причем все они отводят свои летучие газы в горизонтальный боров, заканчивающийся дымовой трубой высотой сто пятнадцать футов, с внутренним диаметром одиннадцать футов и толщиной стен три фута (что дает внешний диаметр семнадцать футов). Печи эллиптические, внутренними размерами 11 × 12 футов, со стенами толщиной три фута. Высота составляет десять футов, причем первые три фута от земли выполнены сплошными и снабжены подом из огнеупорного кирпича, на который укладывается уголь. Каждая печь сообщается с боровом через отверстие в своде размером два с половиной фута на двадцать один дюйм; это отверстие закрывается железной заслонкой для регулирования тяги. Дверные проемы имеют размеры три с половиной фута в квадрате снаружи и два с половиной внутри, закрываясь железными дверями размером четыре с половиной на пять футов, облицованными огнеупорным кирпичом и сбалансированными при открывании противовесами. (Цель дымовой трубы и горизонтального борова состоит в том, чтобы уводить дым и несгоревшие газы настолько высоко, чтобы они не доставляли неудобств. В Америке мы могли бы позволить дыму каждой печи выходить через собственную низкую трубу (высотой десять или двенадцать футов) и сэкономить на стоимости большой трубы; подобно коксовальным печам в наших литейных цехах).

Процесс коксования осуществляется следующим образом:— Каждая вторая печь загружается ежедневно между 8 и 10 часами утра тремя с половиной тоннами хорошего угля. Затем внутрь бросают пучок соломы, который воспламеняется от излучения свода и поджигает дым, поднимающийся с поверхности под действием реакции горячих стен и пода на массу топлива. Таким образом дым сжигается именно на той стадии процесса, на которой он в противном случае был бы наиболее обильным. Процесс коксования представляет собой полное сгорание летучих веществ угля. Поскольку масса угля сначала воспламеняется на поверхности, куда поступает изобилие кислорода, так как передние дверцы и задние отверстия открыты, из трубы идет не больше дыма, чем из трубы обычной кухонной плиты. Газ, выделяющийся из слабо нагретого угля, не может избежать уничтожения при прохождении к яркому пламени печи. Любой недостаток кислорода для сгорания дыма восполняется воздухом, поступающим через пазы заслонок.

Поскольку процесс коксования продвигается сверху вниз медленнее всего, одновременно сгорает только один слой, в то время как поверхность покрыта раскаленными докрасна угольками, готовыми сжечь любые частицы углеводородных или сернистых газов, которые могут прорваться снизу. Крупнейшая масса не может выделять газы в большем количестве, чем самая маленькая куча.

Кокс, полностью освобожденный от всех дымных и летучих веществ путем сорокачасового прокаливания, охлаждается до умеренного каления задвиганием заслонок и открыванием дверей, которые были частично прикрыты во время последней части операции.

Теперь уголь превращается в чистую, кристаллическую, пористую, столбчатую массу стально-серого цвета, настолько твердую, что она царапает стекло. Ее разбивают и выгружают — это кокс. Иногда его тушат с помощью поливалки. Это неправильно: его нельзя мочить, и более того, его следует немедленно закрывать в огнестойких ящиках и бункерах. Даже будучи оставленным на воздухе сам по себе, он быстро поглощает влагу, которую затем приходится выжигать в котле; его непременно нужно хранить в сухом месте. Г-н Вудс (Англия) отмечает, что кокс может поглощать до восьми процентов воды при транспортировке от печи к складочному помещению. Количество поглощаемой влаги зависит от природы кокса. Д. К. Кларк фиксирует следующие данные при погружении кокса в воду.

№ 1. Мелкозернистый и хороший, поглотил 14,5 процента воды.

№ 2. Пористый и обычный, поглотил 21 процент.

No. 3. Very close-grained and good, 9 per cent.

Время коксования в целом можно определить как пятьдесят часов, хотя качество несколько улучшается, если дать ему еще сорок часов; это дает время для лучшего уплотнения и формирует более прочную, яркую и кристаллическую массу.

Г-н Гуч с Великой западной железной дороги (Англия) экспериментировал со временем коксования со следующими результатами.

In oven. Yield per ton of coal. Water evaporated per lb. of coke. Result.

48 hours 12.71 cwt. 7.1 lbs. 902.

72 hours 12.00 cwt. 7.7 lbs. 924.

Таким образом, хотя выход с тонны уменьшается при большем времени, ценность кокса в расчете на фунт возрастает, и это увеличение перевешивает уменьшение.

Первосортный уголь дает от семидесяти пяти до восьмидесяти процентов по весу плотного блестящего кокса весом около 14 хандредов на челдрон (тридцать шесть бушелей). Объем увеличивается от десяти до пятидесяти процентов.

При выгрузке кокса из печей значительная его часть неизбежно измельчается слишком мелко для использования в топке паровоза при сильной тяге; однако такой кокс может применяться при растопке, на стоянках и на станциях.

При извлечении кокса из печей его следует разделять на следующие три класса.

Large coke. Cubes of 9 inches to the side.

Medium coke. Cubes of 6 inches to the side.

Small coke. Cubes of 3 inches to the side.

Питтсбургский уголь, тщательно прококсованный в течение сорока восьми часов, дает семьдесят пять процентов по весу и сто двадцать пять процентов по объему первосортного, прочного, яркого, чистого кокса.

Лучший тест для кокса — опустить его в воду. Вода, имеющая вес шестьдесят с половиной фунтов на кубический фут, не должна удерживать на плаву хороший кокс, который должен весить шестьдесят три фунта на кубический фут, поэтому если кокс плавает, он слишком легкий.

Большая часть битуминозного угля в долине Миссисипи не коксуется, а сгорает. Значительная часть коксуется умеренно хорошо, но не так хорошо, как питтсбургский уголь. При расчетах для сравнения видов топлива уголь каждого конкретного месторождения должен быть испытан.

О СРАВНИТЕЛЬНОЙ ЦЕННОСТИ ДРОВ, УГЛЯ И КОКСА. Этот вопрос делится на две части.

The relative cost of the different fuels,

and The relative power to produce heat.

Из того, что кокс в Англии, антрацит в Пенсильвании или дрова в Новой Англии являются наиболее экономичным топливом, вовсе не следует, что любое из вышеперечисленного будет таковым в Огайо, Индиане или Иллинойсе, или что если дрова дешевле в одних частях штата, то они дешевле повсеместно, или даже что одно топливо должно применяться на всем протяжении отдельной дороги.

Теплота, используемая для испарения воды в паровозном котле, выделяется в результате горения; горение происходит путем химического соединения кислорода воздуха с углеродом топлива; откуда следует, что тот материал, который при заданной стоимости содержит наибольшее количество углерода, произведет тепло наиболее экономично.

Из таблицы на странице 320 мы видим, что по объему тринадцать единиц кокса эквивалентны шестидесяти единицам дров; что один фунт кокса выпаривает восемь с половиной фунтов воды; что один фунт дров выпаривает два с половиной фунта воды. Таблицы удельного веса дают в качестве среднего веса кубического фута твердой древесины тридцать фунтов. Сажень дров при очень тщательном измерении содержит сто кубических футов в плотной массе или сто двадцать восемь футов в сложенном виде, если брать средний размер поленьев; откуда сажень будет весить три тысячи фунтов. И мы имеем в качестве относительной испарительной эффективности сажени дров и тонны кокса:

2240 × 8½ = 19040,

3000 × 2½ = 7500.

Now if the cost of a cord of wood is to the price of a ton of coke as 7,500 to 19,040, it is immaterial which we use.

В качестве примера использования приведенной выше пропорции, когда абсолютная стоимость дров, угля, кокса и труда известна, рассмотрим следующее.

Если дрова, колотые и готовые для топки, стоят 3,00 доллара за сажень, сколько можно дать за тонну кокса?

As 7,500 is to 19,040, so is 300 to 762, or $7.62.

Из той же пропорции мы составляем следующую таблицу.

Cost per cord of wood ready for burning. Price that may be paid per ton for coke.

(Cents.) (Cents.)

200 508

225 571

250 635

275 698

300 762

325 825

350 877

375 952

400 1016

425 1079

450 1143

475 1206

500 1270

В приведенном выше сравнении была использована максимальная испарительная способность дров (2,5 фунта) и обычная способность кокса (8,5 фунта воды на фунт топлива).

320. При производстве кокса в больших количествах печи должны находиться на шахтах, так как таким образом мы избавляемся от необходимости перевозить лишний вес угля вместо кокса.

Стоимость производства кокса без учета стоимости угля ориентировочно составляет:

10 ovens capable of making annually 5,000 tons of coke, $5,000

Sheds, and apparatus to correspond, 3,000

In all, 8,000

Annual interest at 6 per cent., 480

Annual cost of attendance, 2 men, 1,000

The sum of which is, $1,480

And the cost per ton, 0.296

10

или в круглых цифрах тридцать центов за тонну; и если уголь стоит 1,50 доллара за тонну, добавляя двадцать пять процентов, мы получаем 1,87 доллара в качестве стоимости угля, из которого получится одна тонна кокса, к чему прибавляем стоимость производства за тонну в размере тридцати центов, и получаем общую стоимость одной тонны кокса в 2,17 доллара; а из правила на странице 327 мы видим, что дрова не должны стоить более 0,85 доллара за сажень, чтобы быть столь же экономичными, как кокс по 2,17 доллара; разумеется, низкие сорта угля дадут менее качественный кокс и изменят сравнение.

ГОРИТ. 321. Горючим элементом во всех видах топлива является углерод; теплота, необходимая для парообразования, получается путем соединения углерода топлива с кислородом воздуха с образованием углекислого газа.

Углекислый газ состоит из

Oxygen 16 Parts by weight.

Carbon 6

Атмосферный воздух состоит из

Oxygen 8 Parts by weight.

Nitrogen 28

Отсюда для сгорания одного фунта углерода нам требуется

Carbon 1.00

Oxygen 2.66

Но чтобы получить 2,66 кислорода из атмосферного воздуха, мы также используем азот в пропорции 28 частей азота на 8 частей кислорода; откуда для превращения одного фунта углерода в углекислоту нам требуется

Oxygen 2.66

Nitrogen 9.31

Or 11.97 lbs. of atmospheric air.

Из тщательных наблюдений за газами, проходящими через дымовые трубы хорошо сконструированных котлов, обнаруживается свободный кислород, количество которого колеблется от одной четвертой до половины количества, необходимого для горения; это объясняется механическими препятствиями к полному преобразованию воздуха, возникающими из-за подсоса воздуха через топливо.

Следовательно, к огню следует подавать больше воздуха, чем указанные 11,97 фунта на каждый сожженный фунт углерода. Опыт показывает, что двадцать пять процентов — это достаточный избыточный допуск для превращения углерода.

Whence, to 11.97

add 3.03

and we have 15.00 lbs. of atmospheric air per lb. of carbon.

Воздух весит 0,075 фунта на кубический фут, откуда 15 / 0,075, или 200 кубических футов воздуха необходимо для надлежащего сгорания одного фунта чистого углерода.

Зная необходимое количество воздуха для одного фунта углерода, а также процентное содержание углерода в различных видах топлива, становится простой арифметической задачей определить объем воздуха, требуемый для любой породы угля, кокса или дров. Результат такого расчета показан в седьмом столбце таблицы на странице 320.

«Существуют две причины, по которым не получается всё тепло, которое может дать топливо. Во-первых, воспламеняющиеся газы, выделяемые теплом, сгорают не полностью из-за недостатка кислорода, так как воздух, протягиваемый через огонь, достаточен лишь для разложения большего количества топлива, чем оно может сгореть или обеспечить кислородом после разложения. Густой дым, вырывающийся из трубы при забрасывании свежего топлива на горячий огонь, представляет собой несгоревший газ, разложившийся из топлива, но без достаточного для горения количества кислорода — хотя тепла могло быть поставлено в избытке. Вероятно, именно по этой причине пламя, выходящее из верха пароходной трубы, кажется непрерывным из топки, но на самом деле оно воспламеняется от соприкосновения с воздухом, сохранив для этого достаточный запас тепла.

«Все дымопоглощающие топки представляют собой просто средства допуска свежего воздуха к несгоревшим газам над огнем, что в обычной трубе дает тот же эффект, поскольку столь большая масса дыма сохраняет необходимое количество тепла. Это лишь предотвращает неприятности от дыма. Чтобы сделать таким образом подогретые газы полезными для испарения воды, этот приток кислорода должен добавляться, пока газы все еще находятся в трубах». Это может показаться сложным. Г-н Макконнелл (Англия) делит трубы своих паровозов на две части, соединяя передние концы первой части и задние концы второй части пространством в двенадцать или пятнадцать дюймов (называемым им «камерой сгорания»), в которое он подает любое необходимое количество свежего воздуха. (См. приложение E.)

«Вторая причина, по которой не получается полный полезный эффект топлива, заключается в том, что из газов при прохождении через длинные трубы отнимается столько тепла, что его не остается для продолжения горения, хотя воспламеняющийся газ все еще присутствует. То, что труба или любое препятствие на пути горячих газов поглощает достаточно тепла, чтобы предотвратить горение газа, доказывается действием безопасной лампы Дэви; она представляет собой обычный светильник, окруженный металлической сеткой, которая настолько поглощает тепло пламени, что гасит последнее на проволоке; поднося огонь выше сетки, газ снова воспламеняют, что наглядно показывает, что недостаток тепла сверху погасил пламя». См. «Химия Штёкхардта»; перевод д-ра К. Х. Пирса, Кембридж, Массачусетс, 1852 г., стр. 105.

Таким образом, в каждом котле требуется: во-первых, иметь достаточный запас кислорода для разложения топлива; во-вторых, некоторое количество над огнем для сжигания образующихся газов; в-третьих, такое расположение поверхностей теплообмена, при котором из газов не отнималось бы столько тепла, чтобы заглушить их горение вплоть до момента их удаления, в который они должны быть сожжены. (См. приложение E.)

ГЕНЕРАЦИЯ ПАРА.

322. Средства производства мощности имеют, разумеется, первостепенное значение.

Тепло, выделяемое в топке, проводится через трубы в выпускную камеру; во время этого прохода оно передается металлу, а оттуда поглощается прилегающей водой, которая, становясь вследствие этого легче, поднимается к поверхности и уступает место новой порции. Назначение топки — генерировать тепло, а труб — передавать его.

Способность плоской поверхности генерировать пар зависит от ее положения и способности материала передавать тепло. Опыт, описанный в книге Кларка «Railway Machinery», дал следующие результаты: металлический кубический ящик, погруженный в воду и нагреваемый изнутри, генерировал пар со своей верхней поверхности более чем в два раза быстрее, чем с боковых сторон в вертикальном положении, в то время как днище не давало его вовсе. При небольшом наклоне ящика приподнятая сторона производила пар гораздо быстрее, в то время как опущенная отдавала его настолько плохо, что это приводило к перегреву металла.

Руководствуясь этим результатом, большинство строителей паровозов в настоящее время придают стенкам внутренней топки уклон от одного дюйма до четверти дюйма на фут. Чтобы тепло передавалось воде наиболее эффективным образом, последняя должна свободно циркулировать вокруг горячего металла, унося тепло по мере его достижения поверхности. Поскольку тепло подводится к внутренней стороне топки и труб, именно внутренние размеры должны определять величину поверхности нагрева.

Примечание. — Если мы умножим внутреннюю поверхность трубы на интенсивность приложенного тепла и разделим произведение на внешнюю поверхность, мы получим интенсивность снаружи. Мы также подводим больше тепла к внешней стороне трубы, которое, переходя к внутренней поверхности, возрастает по интенсивности на единицу площади.

Площадь внутренней топки доступна для нагрева не полностью, а требует уменьшения следующим образом:—

For the fire-door.

For the ferrule area.

For the top stays.

For the side stay bolts.

Следовательно, площадь составляет

Sides, twice length by height, less stay bolts.

Back, height by width, less fire-door.

Front, height by width, less ferrule area.

Top, length by width, less top stays.

ТРУБЫ. 323. Трубы или дымогарные трубы, число которых варьируется от ста до трехсот, диаметром от полутора до трех дюймов и длиной от восьми до шестнадцати футов, образуют реальную поверхность теплообмена. Величина получаемой таким образом поверхности нагрева для любой длины, количества и диаметра приведена в таблице 10 главы XIV части I. Поверхность одной трубы находится по формуле

Ld3.1416

144.

Where L = the length,

and d = the diameter, both in inches.

Эффективность круглых труб пока еще полностью не изучена. Они определенно дают большую площадь поверхности в небольшом котле. Памбур считал ценность площади труб на единицу поверхности в отношении площади топки равной лишь одной трети; то есть три квадратных фута поверхности труб равны одному фунту площади топки по способности генерировать пар. Д. К. Кларк не делает различия между этими двумя поверхностями, но отмечает: «есть основания полагать, что эффективность кроется главным образом в верхней полукруглой части каждой трубы». Извилистое поступательное движение, наблюдаемое в трубах значительного диаметра, подтверждает этот вывод, так как оно с большой вероятностью объясняется охлаждением верхней части горячих газов горения, которые по мере остывания также становятся тяжелее и опускаются по бокам, освобождая место для более горячего дыма у нижней части трубы; общим результатом этого является спиральное движение потока по мере его продвижения вперед. Безусловно, верхняя половина трубы расставалась бы с паром гораздо легче, чем нижняя, даже если бы подводимое тепло было одинаковым.

На странице 340 «Механики Овермана» приводится следующее: «Применение тепла к вогнутой поверхности принципиально неверно. Тепло в газах передается другим телам и между собой исключительно посредством конвекции. Это качество газов обусловливает то, что выпуклая форма сосуда является наиболее выгодной для поглощения тепла поднимающихся газов, поскольку движение газа вызывает постоянную смену частиц на выпуклом теле. На вогнутой поверхности, подверженной воздействию движущихся газов, эффект получается незначительным, поскольку частицы газа во впадине находятся в покое. Плоская поверхность по той же причине является несовершенной формой для поглощения тепла; она должна располагаться под углом 45° для получения наилучшего эффекта нагревающих газов. Во всех случаях, если мы хотим получить лучший эффект от топлива, мы должны обращать выпуклую поверхность к потоку горячего воздуха. Направление движения горячих газов определяет положение металла, который должен поглощать тепло; если поток горизонтален, трубы должны быть вертикальными. Газы не переносят тепло посредством излучения. Трубы и другие сосуды, содержащие воду, должны располагаться так, чтобы горячие газы омывали их снаружи.

Если мы пустим ток горячего воздуха вокруг цилиндра, то заметим, что частица воздуха задерживается на его поверхности лишь на короткое время, после чего уступает место другой; частицы обтекают цилиндр почти по всей окружности, в результате чего позади трубы происходит концентрация или увеличение плотности. Относительное расположение труб в ряду небезразлично, и расстояние между ними должно быть связано с их диаметром.

Проводящая способность металла, из которого состоят топка и трубы, является одним из условий, ограничивающих скорость испарения, когда тепло в изобилии поступает с одной стороны и циркуляция свободна с другой, так как вода определенно отводит тепло по мере его поступления к внешней поверхности.

Все тепло по возможности должно быть извлечено из газов до того, как они попадут в дымовую коробку. Мы должны расположить дымогарные трубы так, чтобы, не сужая проход для выхода газов настолько, чтобы потребовалась слишком сильная тяга, все же удерживать газы до тех пор, пока не будет извлечена их полная отдача.

Было предпринято несколько попыток применить идеи Кларка и Овермана, но до сих пор они носили очень косвенный характер и имели лишь умеренный успех. (См. Приложение, E.)

ИСПАРЕНИЕ, ДАВЛЕНИЕ, ТЕМПЕРАТУРА И ПЛОТНОСТЬ. 324. Характер выполняемой работы определяет свойства используемого пара.

Количество выполняемой работы указывает на объем производимого пара.

Количество и характер требуемого пара определяют размеры и пропорции котла.

Кубический фут воды при температуре 62° весит 62,321 фунта.

Кубический фут пара, образованного при 212° по Фаренгейту под атмосферным давлением (14,7 фунта на квадратный дюйм), весит 0,03666 фунта.

Whence one cubic foot of water boiled at 212°, makes 1,700 cubic feet of steam.

Полное тепло насыщения насыщенного пара (пара, образующегося в соприкосновении с водой) при всех температурах состоит из двух частей: скрытой и явной. Явное тепло — это тепло, показываемое термометром, и оно изменяется в зависимости от давления. Скрытое тепло, поглощаемое при образовании пара, составляет три четверти от общего количества. По мере повышения температуры, при которой образуется пар, объем, получаемый из данной единицы воды, уменьшается, но давление и общее тепло увеличиваются. (См. C. R. M., стр. 59, 61, эксперименты Реньо).

В таблице 8 главы XIV части I приведены свойства насыщенного пара, образующегося при давлениях от пятидесяти до ста пятидесяти фунтов на квадратный дюйм.

Пар, образующийся над водой, называется насыщенным, и приложение тепла к изолированному объему этого пара повышает как температуру, так и давление, причем объем и плотность остаются прежними. В таком случае насыщение прекращается, и пар становится перегретым. Если тепло отнять, давление и плотность падают, и происходит осаждение воды. Примером этого является унос влаги с паром в цилиндре. Д. К. Кларк в «Railway Machinery» («Железнодорожное машиностроение») настаивает на необходимости тщательной сушки пара перед подачей его на поршни: таким способом, по его словам, можно выиграть десять процентов при малых скоростях и в некоторых случаях сорок процентов при высоких скоростях.

ДВИЖЕНИЕ ПАРА В ТРУБАХ. 325. Пар может истекать из любого резервуара в вакуум, в открытый воздух или в пар меньшей плотности. Скорость истечения пара такая же, как у струи воды, вытекающей под давлением, равным давлению пара. Пар, истекающий в атмосферу, естественно, встречает сопротивление в 14,7 фунта на дюйм, что эквивалентно снижению его давления на 14,7 фунта. Следующие числа показывают скорость истечения пара в открытый воздух при различных давлениях.

Pressure. Velocity, in feet per second.

50 1791

60 1838

70 1877

80 1919

90 1936

100 1957

110 1972

120 1990

130 2004

ПОТЕРЯ ДАВЛЕНИЯ, ВЫЗВАННАЯ ДВИЖЕНИЕМ ПАРА.

326. Потеря мощности, испытываемая паром во время его движения из котла в цилиндр, вызывается конденсацией при прохождении через холодные трубы, а также трением и резкими изгибами. Общее падение, которое может быть вызвано сочетанием обстоятельств, составляет от десяти до пятнадцати процентов при малых скоростях и от пятидесяти до шестидесяти процентов при высоких скоростях. Падение давления уменьшается пропорционально квадрату скорости движения, то есть падение при скорости 1600 футов в секунду в четыре раза больше, чем падение при скорости восемьсот футов. Хорошо защитив паровые трубы и цилиндры, а также осушая пар, можно работать при давлении, близком к начальному.

ПРИМЕНЕНИЕ ПАРА.

327. Пар, вырабатываемый в котле и передаваемый в цилиндры, попеременно впускается в противоположные стороны поршня, чем и производятся его возвратно-поступательные движения. Первый клапан, примененный для регулирования впуска пара в цилиндр, был устроен так, что пар впускался в течение всего хода; по окончании которого впуск прекращался и одновременно начинался выпуск с первого конца и впуск со второго конца; это создавало ненужное сопротивление возвратному движению, препятствуя быстрому выходу первого объема цилиндра, который приходилось выталкивать, а не выпускать самотеком. Продолжение полного давления на поршень вплоть до конца хода также придавало возвратно-поступательному механизму опасный импульс.

Этих недостатков можно избежать, если заставить выпускной канал открываться, а впускное окно закрываться немного раньше окончания хода. Это достигается сдвигом золотника вперед как единого целого.

Теперь твердо установлено, что при очень свободных входах для пара, если позволить цилиндру заполниться лишь частично, а затем заставить пар расширяться, с данным объемом выполняется больше работы, чем когда цилиндр заполняется полностью. Чтобы пар успел таким образом расшириться, возврат поршня должен происходить только после отсечки (прекращения впуска).

328. За каждый полуход золотник совершает четыре положения, а пар за тот же период выполняет три различных действия, а именно:

Position of valve. Action of steam.

Admission (A).

Entrance.

Suppression.

Expansion.

Release.

Compression.

Admission (B).

Разумеется, чем больше времени проходит между отсечкой и выпуском, тем полнее будет расширение. Не следует извлекать всю силу пара (даже если это возможно), так как для создания тяги необходима определенная сила.

Время расширения регулируется пропорциями перекрытия золотника, которые могут быть настроены так, чтобы зафиксировать отсечку или выпуск на любой желаемой части хода.

С помощью вышеуказанных средств можно установить любую степень расширения, но после установки она останется прежней, поскольку золотник неизменно соединен с эксцентриком и тем самым участвует в его движении.

329. Большим шагом, сделанным в строительстве паровозов с 1840 года, является изобретение Уильямсом «кулисного механизма», который, будучи усовершенствован Хау, позволяет изменять ход золотника и тем самым использовать пар при любой желаемой степени расширения. Благодаря этому устройству возможность регулировать силу, прикладываемую к поршню в соответствии с выполняемой работой, передается в руки машиниста, чтобы он мог использовать ее в любое время при любых условиях работы паровоза.

При таком устройстве на каждый цилиндр требуется по два эксцентрика (а при некоторых схемах кулисы — только один). На рис. 150 показана общая схема изменения расширения. Очевидно, между точками A и B существует фиксированная зависимость; два различных движения передаются эксцентриками C и D через тяги E и F на два конца G и H изогнутой кулисы L; эксцентрики отрегулированы на ведущей оси так, чтобы заставлять оба конца кулисы двигаться в противоположных направлениях, благодаря чему в какой-то промежуточной точке движение отсутствует; кулиса подвижна (по вертикали) на подвесной точке L, так что при перемещении L к одному или другому концу движение, передаваемое тяге m, приобретает черты движения того эксцентрика, который расположен ближе к ней. Таким образом, движение золотника может быть заторможено или даже реверсировано за секунду во время движения паровоза, причем без внезапных толчков.