Este artículo describe el dispositivo y el principio de funcionamiento del vehículo- locomotora de vapor .
Una locomotora de vapor consta de tres partes principales: una caldera de vapor , una máquina de vapor y un tren de aterrizaje . Además, se incluye una ténder en la locomotora de vapor, un vagón de remolque especial que sirve para almacenar suministros de agua y combustible [1] [2] . En el caso de que el agua y el combustible se almacenen en la propia locomotora de vapor, entonces se trata de una locomotora cisterna .
La caldera de vapor se utiliza para producir vapor de agua mediante la quema de combustible, siendo la principal fuente de energía. El vapor en una locomotora de vapor es el principal fluido de trabajo y se usa para llevar a cabo la operación de una máquina de vapor y una variedad de equipos auxiliares (en particular , una bomba de vapor-aire , un generador de turbina de vapor ), y también se usa en sonido señales - silbato y tifón .
El motor de una locomotora de vapor es una máquina de vapor de tracción que convierte la energía del vapor en un movimiento alternativo del pistón , que a su vez se transforma en ruedas motrices giratorias con la ayuda de un mecanismo de manivela .
La tripulación de la locomotora, que consiste en un bastidor y un tren de rodaje , es la base (esqueleto) de la locomotora y sirve para transportar todo el equipo, así como para mover la locomotora sobre rieles .
Dado que la caldera de vapor es la principal fuente de energía, esto la convierte en el componente principal de la locomotora de vapor. En este sentido, se imponen una serie de requisitos a la caldera. Estos requisitos incluyen principalmente la confiabilidad (seguridad) de la caldera, debido al hecho de que la presión del vapor puede alcanzar valores muy altos (hasta 20 atm. y más), lo que convierte a la caldera en una bomba potencial, y cualquier defecto de diseño puede provocar una explosión y, al mismo tiempo, privar a la locomotora de una fuente de energía. Fue la explosión de una caldera de vapor uno de los argumentos más convincentes contra la introducción de la tracción locomotora en el siglo XIX.
Además, una caldera de vapor debe ser fácil de manejar, mantener y reparar, poder trabajar con varios tipos y grados de combustible, ser lo más potente posible y económica [3] .
La caldera de vapor consta de partes que, por conveniencia, a menudo se dividen en cinco grupos [3] [4] :
Una caldera de locomotora de vapor clásica consta de las siguientes partes principales (en la figura anterior, de izquierda a derecha) : caja de fuego , parte cilíndrica y caja de humo [4] .
HornoEl hogar , que también es una cámara de combustión , sirve para convertir la energía química contenida en el combustible en energía térmica . Estructuralmente, la caja de fuego consta de dos cajas de acero anidadas entre sí: una caja de fuego (la propia caja de fuego) y una carcasa , interconectadas por conexiones especiales . El horno de la locomotora funciona en condiciones de temperatura extremadamente difíciles, ya que la temperatura del combustible quemado puede alcanzar los 1600 ° C, y entre la caja de fuego y la carcasa durante el funcionamiento hay una capa de vapor a alta presión (decenas de atmósferas). Por lo tanto, el hogar se ensambla a partir del mínimo número posible de piezas, en particular, el hogar consta de cinco hojas: una de techo, dos laterales, una trasera y una rejilla tubular. Este último es el lugar de transición del horno a la pieza cilíndrica [5] .
En la parte inferior de la cámara de combustión hay una rejilla , que sirve para mantener una capa de combustible sólido encendido. Como su nombre lo indica, tiene una estructura de celosía que asegura el flujo de aire fresco hacia el horno. Las parrillas grandes constan de varias parrillas separadas - parrillas . Hay un orificio para tornillo en la lámina trasera del horno , a través del cual se lanza el combustible. En las locomotoras de vapor potentes, las tuberías de circulación y (o) los termosifones están ubicados en la parte superior del horno , que sirven para aumentar la circulación de agua en la caldera. Se adjunta un arco especial de ladrillos a estos tubos, protegiendo el techo y la rejilla tubular de la exposición a una llama abierta [5] .
Entre ellos, los hogares se distinguen por la forma del techo: con techo plano y radial. Una cámara de combustión de techo plano, también conocida como cámara de combustión Belper , tiene un volumen de cámara de combustión relativamente grande para garantizar la combustión completa del combustible. Como resultado, tales cámaras de combustión eran muy comunes en las primeras locomotoras de vapor, y en varios países se produjeron hasta el final de la construcción de locomotoras de vapor (por ejemplo, las locomotoras de vapor Er , producidas por Checoslovaquia y Polonia hasta 1957 ) . Sin embargo, el horno Belper es difícil de acoplar con la parte cilíndrica de la caldera. Además, la gran anchura limita el uso en cuanto a dimensiones, sobre todo en la parte superior, y en locomotoras de vapor potentes es necesario establecer un gran número de conexiones entre el hogar y la carcasa, ya que las chapas planas son menos resistentes a la alta presión de caldera. Por lo tanto, en potentes locomotoras de vapor, comenzaron a usarse cámaras de combustión con techo radial ( cámara de combustión radial ). El hogar radial es más liviano que el hogar Belper y resiste mejor la alta presión del vapor. Pero el horno radial tiene un grave inconveniente: un volumen relativamente pequeño del espacio del horno, por lo que el combustible se quema de manera menos eficiente y las partículas de carbón no quemadas pueden dañar la superficie interna de la caldera. Por lo tanto, en la parte superior delantera de tales hornos, a menudo se instala un dispositivo de poscombustión , lo que mejora la eficiencia de la combustión del combustible (aunque esta opinión a menudo es exagerada) [5] [6] .
Parte cilíndrica de la calderaLa parte cilíndrica de la caldera de vapor es su parte principal, ya que es en ella donde se produce la generación principal de vapor . De hecho, la parte cilíndrica es una caldera de fuego , ya que el agua se calienta debido a la gran cantidad (hasta varios cientos de piezas) que pasan por ella tubos de fuego , dentro de los cuales fluye el aire térmico. La carcasa de la parte cilíndrica consta de varios tambores (generalmente tres o más), conectados por un método telescópico, es decir, uno está anidado en el otro. Por primera vez, se utilizó una caldera de tubos múltiples en locomotoras de vapor en 1829, es decir, en el famoso " Cohete " de Stephenson .
A menudo, en la parte cilíndrica también hay un sobrecalentador , que se coloca en tuberías, que son básicamente similares a los tubos de humo, pero de mayor diámetro. Estas tuberías ya se denominan tubos de fuego , y el sobrecalentador en sí mismo es un tubo de fuego .
Caja de humoConjunto de caldera : dispositivos y dispositivos para garantizar el funcionamiento térmico de la caldera. Le permiten quemar la cantidad correcta de combustible con la menor pérdida. Dependiendo de la ubicación, se distinguen un conjunto de caja de fuego y un conjunto de caja de humo. También vale la pena señalar un dispositivo como un soplador de hollín , que puede ubicarse tanto en la cámara de combustión como en la cámara de combustión de la cámara de combustión, o incluso ser portátil. El soplador de hollín sirve para limpiar la superficie interna de los tubos de humo y llamas de hollín y cenizas , aumentando así la transferencia de calor de los gases calientes a través de las paredes de las tuberías al agua y al vapor. La limpieza se realiza dirigiendo un chorro de vapor a las tuberías. Posteriormente, se desmantelaron sopladores de hollín en muchas locomotoras de vapor [7] .
Juego de hornosEn primer lugar, vale la pena señalar la rejilla ubicada en la caja de fuego al nivel del marco del horno. Esta rejilla sirve para mantener una capa de combustible sólido en llamas y también, como su nombre lo indica, le proporciona, debido a las ranuras, el flujo de aire necesario para la combustión. Debido al gran tamaño (en una locomotora de la serie L , sus dimensiones son 3280 × 1830 mm ), la rejilla está hecha de elementos separados: rejillas , que se encuentran en filas transversales. En las primeras locomotoras de vapor, las barras de rejilla eran fijas, luego comenzaron a construirse locomotoras de vapor con barras de rejilla móviles (balancín), lo que hizo posible simplificar la limpieza del horno de escoria y ceniza . El accionamiento de la parrilla basculante es predominantemente neumático. Las escorias y las cenizas del horno se vierten en un búnker especial ubicado debajo del horno: un cenicero , cuya parte superior cubre toda la parrilla, y la parte inferior, debido a la falta de espacio libre, se ubica principalmente entre los lados. del bastidor principal de la locomotora. Para pasar aire al horno, el cenicero está equipado con válvulas especiales, que también se usan para limpiar el búnker de la escoria. Al conjunto de hornos también pertenecen las puertas de horno , que cierran el orificio del tornillo (sirve para arrojar combustible al horno), separando así los espacios del horno y la cabina del conductor. Dado que tanto el cajón de cenizas como la parrilla proporcionan aire fresco a la caja de fuego, la obstrucción (escoria) de sus conductos de aire y ranuras puede provocar una caída grave en la potencia de la caldera, por lo tanto, cuando se utilizan antracitas y carbones bajos en calorías , un humidificador de escoria Se utiliza , que son varios tubos con orificios ubicados a lo largo del perímetro de la rejilla. Periódicamente, pasa vapor a través de ellos, lo que baja la temperatura en la propia parrilla, y en contacto con la escoria la hace más porosa [7] .
Si una locomotora de vapor se calienta con aceite o fuel oil (común en los motores modernos),[ ¿cuándo? ] locomotoras de vapor), luego se instalan boquillas de aceite y oleoductos en el horno. Las toberas proporcionan una fina pulverización de combustible, necesaria para su completa combustión. Al mismo tiempo, se retira la rejilla del horno y, en su lugar, se instala una bóveda de ladrillo especial en el cenicero y el horno (también conocido como ladrillo ), que sirve como protección adicional para el horno contra una llama que tiene una temperatura más alta. (más de 1600 °) que con el calentamiento de carbón, y también para racionalizar el proceso de combustión: si la llama se apaga brevemente, la bóveda al rojo vivo ayudará a encender el combustible que viene después del descanso. Sin embargo, el peso total de este arco es muy superior al de una parrilla, por lo que el paso de una locomotora de vapor de calefacción de carbón a aceite aumenta el peso total de la locomotora, especialmente de su parte trasera [7] .
Auriculares de caja de humoLa combustión del combustible requiere aire, y necesita bastante: se requieren 10-14 kg o 16-18 kg de aire para 1 kg de carbón o fuel oil, respectivamente. Es obvio que el suministro de tal cantidad de aire a la cámara de combustión (horno) de forma natural es prácticamente imposible, lo que obliga a crear una corriente artificial de gases en la caldera. Para hacer esto, se instala un dispositivo especial de escape de humo en la caja de humo , que proporciona flujo de aire al horno creando un vacío en la cámara de humo. Los dispositivos de escape de humo de locomotora vienen en varios diseños, pero casi todos funcionan con vapor ya agotado proveniente de una máquina de vapor de tracción , lo que le permite cambiar el suministro de aire dependiendo de la potencia utilizada por la máquina, es decir, cuanto más intensamente el funciona el motor, más fuerte es la combustión y más vapor producido [7] .
El dispositivo de escape de humo más simple es el cono , que parece una boquilla en forma de cono instalada debajo de la chimenea. El principio de funcionamiento del cono es que el vapor de escape que lo atraviesa adquiere una alta velocidad (hasta 250-350 m / s), luego de lo cual se envía a la chimenea, donde, arrastrando aire, crea un vacío en el cámara de humo. Los conos vienen en varios diseños, incluyendo uno, dos y cuatro orificios, sección variable y constante, con una salida común y separada. El cono de cuatro orificios de sección transversal variable más utilizado con una liberación separada, es decir, cuando el vapor de los cilindros derecho e izquierdo se libera por separado. Sin embargo, a pesar de la simplicidad del diseño, el cono no se puede utilizar en locomotoras de vapor con condensación de vapor de escape, por lo tanto, en este último, se utiliza un ventilador (bomba de gas) como dispositivo de extracción de humos . El accionamiento del ventilador se realiza a partir del vapor de escape, que, como con un cono, hace que el ajuste del tiro sea automático. Debido a sus ventajas, el ventilador de tiro comenzó a usarse incluso en locomotoras de vapor sin condensación de vapor de escape (por ejemplo, CO in y Sum soviéticos), sin embargo , debido a una serie de deficiencias (un diseño más complejo que el de un cono, y por lo tanto un mayor costo de reparación, alta contrapresión al liberar vapor, dificultad para trabajar en cortes altos) en la década de 1950. el tiro en abanico fue reemplazado por uno cónico [7] .
La caldera se caracteriza por los siguientes parámetros:
La máquina de vapor de una locomotora consta de cilindros fundidos en una sola pieza con cajas de carrete , un mecanismo para transmitir fuerza a las ruedas motrices ( mecanismo de manivela ) y un mecanismo de distribución de vapor . Los cilindros de una máquina de vapor (de los cuales hay 2 o más en una locomotora de vapor) se funden en acero y se fijan al bastidor con pernos, o las máquinas de vapor derecha e izquierda se funden juntas, como en las locomotoras de vapor posteriores.
Los siguientes tipos de máquinas de vapor se utilizan en locomotoras de vapor:
La mayoría de las locomotoras de vapor usaban máquinas simples de dos cilindros, la eficiencia aumentó con la introducción de un sobrecalentador y la potencia aumentó con la creación de locomotoras articuladas y un aumento en el forzamiento de la caldera.
El mecanismo de distribución de vapor (generalmente basculante) de una locomotora de vapor consta de un balancín 1 , que gira sobre un eje y está conectado por su extremo inferior a un pasador de contramanivela 2, montado en la rueda motriz en cierto ángulo con respecto a la manivela . El movimiento del backstage se transmite mediante un empuje radial 3 al extremo superior de la palanca ( péndulo ) 4; el extremo inferior del péndulo recibe movimiento de la corredera 5. El movimiento del carrete 6 se informa desde el punto intermedio del péndulo. Con la ayuda del mecanismo basculante, se llevan a cabo todas las fases de distribución de vapor (carrete), la potencia de la locomotora de vapor se regula cambiando el grado de llenado (corte) de vapor en el cilindro 7 y la inversión 8, obteniendo el movimiento inverso de la locomotora de vapor.
En algunos casos, para aumentar temporalmente la fuerza de tracción (al arrancar y en los ascensos), en las locomotoras de vapor, además de la máquina de vapor principal, se instala un auxiliar ( booster ) que transfiere el trabajo a los ejes de apoyo de la locomotora. o al eje tierno.
Otros elementos de la máquina locomotora:
La parte de la locomotora de la tripulación, o marco de marcha, consta de un marco en el que se instalan la caldera y los cilindros, los juegos de ruedas con cajas de grasa, resortes con equilibradores y un bogie.
En los centros de todos los juegos de ruedas motrices, los contrapesos se funden en su conjunto para equilibrar las fuerzas de inercia de las masas que giran excéntricamente [8] (manivela, pasadores, gemelos, y en la rueda motriz, además, la contramanivela y parte de la biela impulsora).
Los maquinistas ( brigada de locomotoras ) estaban en la cabina y todos los mandos de la locomotora estaban concentrados. La parte posterior de la cámara de combustión con un orificio para tornillo para cargar combustible también entró en la cabina.
Una licitación es un automóvil especial con suministro de agua y combustible. El ténder de las locomotoras de vapor potentes tiene un alimentador automático de carbón (fogonero) [9] . A menudo, los ténderes tenían un diseño estándar y se usaban con varias series de locomotoras de vapor.
En las locomotoras de vapor para áreas secas o no provistas de agua limpia, la condensación de vapor se utilizó en un ténder ( tierno-condensadores ) [8] .