В преддверие Дня Железнодорожника, с которым мы поздравляем всех причастных, редакция продолжает публикацию статей опытного железнодорожника из старой когорты. Разобравшись с механикой (первые части нашей паровозной саги ищите ЗДЕСЬ и ЗДЕСЬ), переходим к энергетической установке. В этой главе автор детально описывает устройство жаротрубного котла, опасность перегрева свода топки, принцип работы инжекторов и то, как бригада в полевых условиях устраняла критические поломки, рискуя жизнью.

Котёл — это самый важный узел паровоза, он определял мощность паровоза. Мы с тобой разберём его подробно. Сейчас лишь скажем вот что. Если говорить о сегодняшних паровых котлах, а они стоят на всех ТЭЦ, котельных и даже у тебя дома, если у тебя индивидуальный газовый котёл — они водотрубные. Вода в трубах в зоне горения. Что у них главное — они безопасны. А есть жаротрубные котлы. Жар внутри толщи воды. Бабушкин самовар. Они взрывоопасны. Не могу сказать точно почему, возможно из-за технологии изготовления труб. Стифенсон и все последующие конструкторы паровозов взяли жаротрубный котёл, самовар.

Стифенсон положил этот котёл лёжа, это позволило в дальнейшем увеличивать его в длину.

У него с одной стороны загрузка топлива, с другой выход дыма. Стифенсон мог бы расположить котёл топкой вперёд, трубой назад, тогда бы у бригады был лобовой обзор, ну а где держать топливо — впереди? И его расположение трубой вперёд предопределило всю дальнейшую историю паровоза. Труба вперёд, топка сзади и за ней просто прицеп тендер, где вода, топливо и место бригады, будка (заметь в паровозе называлась не кабина, а будка) между паровозом и тендером. Котёл мы просто положили и легко закрепили к раме. Никаких тяговых нагрузок на нём нет.

А теперь рассмотрим все узлы более подробно.

Паровая поршневая машина. Она состоит из двух цилиндров. Нижнего большого рабочего, диаметром в полметра. Он развивает усилие до 25 тонн. И верхнего меньшего диаметра, называемого золотниковым. Рабочий цилиндр двухходовой. Поршень — металлический диск с кольцами и шток просто закреплён к диску поршня. Цилиндр закрыт двумя крышками. Через переднюю через сальник шток поршня совершает возвратно-поступательные движения. Замечу, у тебя на машине цилиндры одноходовые, снизу открыты, а у поршня не шток, а шатун. В цилиндре четыре отверстия: два вверху у крышек большие, впуск и выпуск пара, и напротив них внизу два маленьких, закрываемых на выходе клапанами. А эти зачем? Мы работаем с паром, а значит, если цилиндр постоял, охладился, то возможно скопление конденсата. А чем это опасно? Можно выбить крышку цилиндра. Поэтому, когда паровоз трогается, машинист специальным рычагом-ручкой открывает эти клапаны и ты видишь клубы пара у цилиндров. У них ещё одна функция. Паровоз стоит под парами. Впуск пара в цилиндры перекрыт, но кто гарантирует, что они не пропускают, пар накопился — и паровоз, конечно, не убежит, но тронется, на длительной стоянке клапаны открыты.

Золотниковый цилиндр. Его задача впускать и выпускать пар то в одну полость, то в другую. Для этого шток его поршня-золотника связан с ходом рабочего цилиндра. Но ему ещё усложняют задачу, по команде машиниста (передвижению тяги на кулисе) он может изменить последовательность подачи пара и паровоз изменит направление движения. Опять по такой же команде он не будет подавать пар в рабочий цилиндр, а обе полости соединит на выход. Паровоз едет по инерции или по спуску. И можно пар давать на весь ход поршня, а можно лишь порцию. Управляет всем этим машинист с помощью реверса. Под правой рукой — штурвал с ручкой, он всегда отполирован руками машиниста. И если мой сегодняшний коллега говорит «я за контроллером», то паровозный машинист говорил «я за реверсом». И я сразу не сказал, но ты просто должен понять: цилиндров два с двух сторон, поэтому команда одновременно подаётся на оба.

Кривошипношатунный механизм. Начнём от колеса. В диск колеса надо запрессовать палец — за что вращать. А где запрессовать — колёса могут быть маленькие и огромные в 2 метра на пассажирских. Что нам определяет место (радиус) запрессовки пальца? Задумался и понял — ход поршня в рабочем цилиндре и как можно точно, с одной стороны — потеряем КПД, если убавим радиус (поршень не дойдёт до стенки (крышки), пар бы ещё работал, а мы его в атмосферу или, не дай бог, поршень выбьет крышку. Уловил? А теперь ещё премудрость. Ты же катаешься на велосипеде. Если педали стоят вертикально, тебе придётся как-то изловчиться, чтобы их провернуть, это ты, а механизму-то как? Да и желательно, чтобы тяга была бы всё время одинакова. Готов решить? А Стефенсон решил. Очень просто: у нас же мёртвая пара. Сдвинули пальцы на 90 градусов — и всё. Просто.

Для человека с улицы устройство паровоза — тёмный лес

Теперь соединим пальцы всех колёс соединительными дышлами, не одним все, а от колеса до колеса. А почему? Мы же оставили вертикальное перемещение, да и вдоль и поперёк из-за зазоров тоже люфт. Поэтому так мягче. А теперь ведущее дышло. С одной стороны к ходу штока, а с другой — на один из пальцев. Теперь представь это дышло, передавая тягу в 20–30 тонн и, мотаясь другим концом, что она сделает с бедным штоком (а он небольшого диаметра)? Иначе мы потеряем тяговое усилие (площадь). А он ещё через сальник проходит. В общем, всё это полетит. Тоже решаем, как разгрузить шток от всех изгибов. Только продольная сила. Придерживать, верно. Мы на раму прочно закрепляем мощный механизм, который может скользить только взад-вперёд. К нему закрепляем шток поршня и ведущее дышло, он же даёт раздачу для золотникового цилиндра.

Паровозники его называют крейцкоп. Всё вроде красиво, но это всё трётся, передавая громадные усилия, вибрирует от перекосов и мотается в воздухе, описывая круг. А подшипники скольжения? Здесь даже жидкой смазкой не зальёшь. Вот где самый гадкий механический узел на паровозе. Его смазывают полутвёрдой смазкой «Грыз». Она в виде стержня, её закладывали в специальную трубку и всё время требовалось её подтягивать, менять. При этом не просто подвернуть, это надо было расконтрогаить, а потом опять надёжно затянуть, иначе всё улетит. Выплавление этих подшипников — самый распространённый брак, и бригада должна была его устранить. Для этого возила с собой листовой свинец, разбирала соединение и зачеканивала свинец в люфт выплавленного подшипника. А сам осмотр, подтяжку помощник с кочегаром делал несколько раз за поездку, особенно после подъёма.

Упряжь. Сегодня это однозначно автосцепка. Она появилась где-то в конце 20-х годов XX века, а до этого ручная сцепка. Но полностью на автосцепку перешли, наверное, к 70-м годам. А чем характерен период перехода, даже если у тебя автосцепка, то сохранялись буфера. Что такое ручная сцепка? Крюк и к нему прикреплено два звена цепи со стягивающим винтом с левой и правой резьбой и ручкой воротом. И, естественно, буфера по краям, так как ручная сцепка может только тянуть. Чтобы правильно сцепить ручные сцепки, нужно взаимно набросить эти кольца (они продолговатой формы) на крюки. Но надо, чтобы обе звенки были одинаково натянуты, а буфера поджаты. Уже сцепленную звенку до сжатия буферов не подтянуть.

Поэтому сцепщик, заранее подтянув звенку, вставал между крюком и буферами и, держа её в руках, ждал, когда подъезжавший вагон сожмёт буфера и набрасывал её на крюк, а затем другую. Да, не автосцепка! Но пугало другое: ручная сцепка очень слабая и обрыв её — очень распространённый брак, правда и сменить её не проблема, если на хвосте тоже ручная. Локомотивы, в том числе паровозы, автосцепкой оснастили в первую очередь наверно в начале 30-х годов. Чтобы в поезде сцепить автосцепку с ручной, возили так называемую двухзвенку. С одной стороны — массивный вкладыш в зев автосцепки и два массивных звена. Но опять: накинуть их на крюк можно только сжав буфера.

На манёврах автосцепку с ручной сцепляли просто, накинув звено на специальное ухо, которое было тогда на автосцепке.

Котёл. Как мы уже говорили, он главный элемент паровоза. Он жаротрубный. Он круглой формы, оптимальной, чтобы выдержать огромное давление пара. На паровозах последних марок до 16 атмосфер. При этом температура. Ты знаешь, что вода кипит при 100 градусах Цельсия, сохраняя эту температуру, пока вся не выкипит, но это при обычном давлении, а если давление повышать, то вырастает и температура. В паровозном котле она может достигать 400 градусов. Я не знаю, как изготавливали котлы последних серий, но возможно даже клёпкой, так как МПС буквально до 60-х годов XX века все ответственные элементы делало клёпкой. Внутри котла омывается со всех сторон кроме низа топка квадратной формы. Поэтому котёл в районе топки тоже квадратной формы. Плоские стенки топки и котла не выдержат давления пара, поэтому они между собой связаны стержнями (связями). Внизу топки колосники. Мощные чугунные пластины, расположенные поперёк. Их можно качать, то есть более или менее вертикально. Зашлаковать топку, особенно бурыми углями, плёвое дело.

Шлак перекрывает доступ воздуха, и затвердев, заклинивает колосники. Топка не горит. Приходится останавливаться и сбоку специальной кованой лопатой (резаком) разбивать шлак. Шлак, просыпаясь через колосники, скапливается в поддоне под топкой, и периодически в определённых местах его ссыпают на путь. В топке загрузочное отверстие, закрываемое массивной чугунной дверцей, но она так сделана, что легко открывается специальным рычагом-ручкой. Для сохранности тепла и тяги дверь открывают только на момент броска. Топить топку паровоза — умение, и топил её помощник. Дым из топки уходит через жаровые трубы, они довольно большого диаметра, ими буквально утыкана вся задняя стенка котла, они, проходя через котёл, уходят в дымовую коробку, она под трубой, которую ты видишь на паровозе.

Жаровые трубы играют роль связей задней стенки топки. Жаровая труба — это дополнительная площадь нагрева, главной характеристики котла. Естественной тяги в паровозном котле практически нет, особенно последних серий — труба очень короткая. Но тяга искусственная, но не вентилятором, а сифоном. Это когда через трубу малого диаметра, вставленную в трубу большого диаметра, пропускают газ или пар под давлением. Выходя, он затягивает за собой всё то, что в большой трубе. Такая премудрость стоит в дымовой коробке под трубой и тянет очень здорово, может даже затянуть и выбросить кусочки недогоревшего угля. Когда паровая машина не работает, туда открытием вентиля подаётся пар, а когда работает — отработанный пар машины выходит именно через сифон. Больше пара берёт машина — больше тяга. Чёрный дым столбом, труба с небом говорит, но и угля жрёт. А вот растопить холодный паровоз, да ещё зимой — это проблема. Обычно для этого используют другой паровоз. Он даёт пар для тяги. Но тушат паровозы только в исключительных случаях. И даже, когда они заходят в стойло, их не тушат, хотя они в это время дымят слабо.

Препарируем паровозы вместе: внутренности железнодорожных динозавров

Перейдём к воде. Вода должна обязательно покрывать поверхность всей топки. Если свод оголится, он в минуты станет красным, потеряв прочность, а если в это время на него подать воду — мгновенное парообразование и взрыв котла. Вот опасность этих котлов. Поэтому надо следить за расходом воды. А куда она девается? Уходит с паром. А когда форсировка котла (поезд на подъём) улетает с паром? Сегодня на ТЭЦ наверняка автоматика, она и следит, она и пополняет. На паровозах (не знаю П36) этого не было. Всё в ручном режиме. Обычное водомерное стекло. Но там же давление и температура, не дай бог лопнет. Поэтому оно очень толстое и видно очень плохо. Туда даже опускали шарик — тоже плохо. Да и освещение… Это уже на последних электричество, а так фонарь. Но были водопробные краники.

Вроде три по высоте. Открыл — вода или пар. Если с нижнего пар — глушим топку. А если проворонил? Не знаю когда, но в свод топки были ввернуты специальные пробки. Их середина залита легкоплавким металлом. Свод оголился, пробка перегрелась, середина выплавилась — и пар, увлекая воду, тушит топку. Приехали. Но и это бригада устраняла на линии. Я не видел как, да и машинисты не очень говорили об этом (это же они сами и допустили). Но примерно так: максимально израсходовать пар, может даже дотянуть до станции. Закидать горячий уголь свежим холодным и кто-то, может и машинист, кто сможет, одев на себя всё что есть и облив себя водой, не видя, не дыша лезет в топку, нащупывает необходимую пробку и забивает в неё специальный кляп из свинца. А теперь как-то раскочегарить топку — и вперёд.

А как добавить воду в растопленный котёл, там же давление? Ты скажешь: насос высокого давления. Но такого на паровозе не было. Выручал опять пар. Я здесь не силён в теории, но это что-то такое, потенциальная энергия пара (давление) превращалась в кинетическую (скорость) и преодолевала то давление, что её породило, да ещё и с собой захватывало воду. Называлось это чудо — инжектор. Их на паровозе два, у помощника, как главного, кто работает с котлом, и у машиниста. Как бы главный элемент этого чуда — сопло. Проходя через него пар, и приобретал эту кинетическую энергию — скорость. У инжектора большая ручка, имеющая три положения. К инжектору подходят четыре трубы: труба пара из котла, труба воды из тендера, труба в атмосферу под будку и труба в котёл. Нижнее положение ручки — всё закрыто, среднее — пар под будку, и ты видишь облако пара под будкой, разогнавшись, пар захватывает воду и тоже под будку.

Так можно сдуру и весь тендер слить.

Верхнее — пар с водой в котёл. Как понять, что пар подхватил воду? Инжектор вздрагивает. А вот сколько можно выше свода — я не знаю. Знаю только, что это не критично, просто бяка. Вообще-то там до верха котла очень не много, и если не оставить места, то образовавшийся и уходящий пар захватит с собой много воды. И вообще, пар, выходящий из котла, назывался сырой пар. Наверное, первые паровозы его и использовали, но более современные модели его сушили, повышая КПД паровоза. Он трубами небольшого диаметра отправлялся в жаровые трубы (это уже прообраз водотрубного котла) и оттуда в коллектор сухого пара, он в дымовой коробке и оттуда в сухопарник. Ты его видишь сразу за трубой.

Два слова об инжекторе. Не знаю, как и почему, но уже когда я работал, было вроде два приказа. Пар из инжектора вырвался в будку — это смерть бригаде, а ещё проблема как остановить поезд. Сырой пар — сушить пар. Это всё слова одного моего собеседника, паровозника, преподавателя школы паровозных машинистов. Но, приведя их тебе, я задумался, а верно ли это. Может, тебе это совершенно не интересно, но нельзя нарушать физические законы. Если пар (сырой, не сырой) направить в трубки, находящиеся в зоне высокой температуры, пар (как газ) не сумеет их охладить, у него очень маленькая теплоёмкость, трубы перегреются или вообще сгорят. Ты согласен с этим? А если это так, то конструктор котлов, борясь за производительность и КПД, запускал в эти трубы не сырой пар, а воду, и это давало возможность коллектор и трубы пропустить не только в жаровых трубах, но и под сводом топки.

Главное — не допустить образования парового мешка, то есть с верхней точки всего этого сооружения пар должен иметь возможность уйти в сухопарник или просто в котёл. А как — это уже задача разработчика. Можешь и ты попытаться нарисовать такую схему. А понятие «сухой», «сырой» пар зависит и от температуры, и от давления. Вот сколько хитростей мы с тобой познали у дедушки-паровоза. В котле у сухопарника стоит предохранительный клапан, и он спасёт от взрыва, если давление нарастает медленно. Есть ещё один кран с трубой, его назвали эверластинг. Из него можно было дать пар другому паровозу. В XX веке, пока не было сплошной газификации и мобильных газовых котлов, паровоз использовали как аварийную котельную. Где по трамвайным путям, а где и по тротуару подвозили паровоз, и он топил микрорайон. Его использовали вагонники, если зимой надо подготовить из резерва пассажирский состав с паровым отоплением.

Один из ремонтов паровоза назывался «промывочный».

А что промывать? Накипь на стенках топки и жаровых труб. Хотя в тендер в воду и добавляли каустическую соду, но это лишь продляло срок. Толстый слой накипи уменьшал теплопередачу. А это всё внутри котла. В котле есть люки на болтах, но как туда пролезть и как там пролезть? Эту работу выполняли специальные рабочие котельщики. Я как-то ни с одним из них не разговаривал, но наверняка у них были какие-то льготы. А вот теперь представь другое. Ты знаешь, что паровозные бригады всегда присутствовали на ремонте. А кто проконтролирует, как очищен котёл? Только кто-то из бригад. Вот где слово «мой паровоз»!

Глядя на паровоз, ты самого котла не видишь. Он же горячий, а тепло надо беречь, да к нему и не прикоснёшься. Он весь покрыт теплоизоляцией, а сверху листовой сталью. Сами бригады где-то в будке прорезали эту изоляцию и получали отличную духовку. Щи, каша там отлично упревали, так что паровозники питались не в сухомятку, а домашней крестьянской едой и ели по-крестьянски из одного чугунка. Вдоль котла и спереди высокая площадка, дающая возможность добраться к верхней части паровоза.

От кабины локомотива до сталеплавильного цеха, от кабинета логиста до угольного забоя: подпишись на эти каналы и будь в курсе главных отраслевых новостей — Vgudok (о железных дорогах и не только), Vgudok_PRO (о главных деловых новостях транспорта), ПРОметалл (о металлургии и металлах), CoalSlow (о добыче и экспорте угля)  

Марк Михлин, специально для Vgudok

Продолжение следует…