Незабытые технологии: паровозы / Хабр

Существует немало технологий, обычно ассоциируемых у нас с прошлым и даже с позапрошлым веком, но, тем не менее, всё ещё используемых в жизни. Одни из них представляют лишь исторический интерес, другие ещё широко используются, но в скором времени окончательно уступят своё место современным аналогам, третьи же прочно заняли свою узкую нишу и не собираются сдавать позиции. Большинство этих технологий неэкономичны и сложны в использовании – в этом их слабость. Но есть у них и сильные стороны: это внутренняя простота, лёгкость изготовления и независимость от современной энергетической и информационной инфраструктуры.

На первый взгляд они могут вам показаться не очень важными. Но это ошибочное мнение. Просто мы отвыкли от глобальных катастроф – двадцатый век ознаменовался удивительно мирным поведением природы. В наше время солнечная буря, аналогичная буре 1859 года, вывела бы из строя линии электропередач и коммуникаций на годы.

Но даже если они не имели бы вообще никаких преимуществ, их всё равно нужно было бы сохранить по крайней мере из исторических и эстетических соображений. Прошлое не исчезает – оно живёт рядом с нами, и в его сплетении с будущем рождается наше настоящее.

Одной из подобных технологий является паровая машина, и её наиболее яркое воплощение – паровоз. О нём и пойдёт речь.

Здесь я не стану подробно останавливаться на внутреннем устройстве паровозов, вместо чего размещу общую схему. Интересующиеся же читатели более полную информацию найдут в Wikipedia.

Принципиальная конструктивная схема паровоза: 1 – топка; 2 – зольник; 3 – паровой котёл; 4 – дымовая коробка; 5 – будка; 6 – тендер; 7 – сухопарник; 8 – предохранительный клапан; 9 – клапан регулятора; 10 – пароперегреватель; 11 – паровая машина; 12 – конус; 13 – парораспределительный механизм; 14 – привод регулятора; 15 – экипаж; 16 – поддерживающая тележка; 17 – бегунковая тележка; 18 – букса; 19 – рессорное подвешивание; 20 – колодка тормоза; 21 – паровоздушный насос; 22 – сцепное устройство; 23 – свисток; 24 – песочница.

К середине века, разумеется, никаких кочегаров уже не было: в паровозах использовали автоматическую подачу угля или иного твёрдого топлива с помощью элеваторного механизма. В случае использования более эффективного жидкого топлива, в топке устанавливали форсунки, а вместо колосников клали кирпичный свод, при попадании на который распылённое топливо воспламенялось.

В засушливых районах паровозы использовали специальную систему конденсации отработанного пара, позволявшую экономить дефицитную воду.

Краткая история паровозов

Первый в мире паровоз проехал в Уэльсе 21 февраля 1804, первая железная дорога была проложена в 1825, расцвет паровозов пришёлся на середину девятнадцатого – начало двадцатого века, а уже в тридцатые годы их начали активно заменять недавно появившиеся намного более экономичные тепловозы и электровозы. Однако паровозы продолжали строиться вплоть до пятидесятых – шестидесятых, и были окончательно заменены лишь к восьмидесятым годам двадцатого века.

В разных странах конец эры паровозов пришёлся на разное время, но основной перелом всё же произошёл в шестидесятые. В США паровозы стали массово заменяться уже в пятидесятых, и последний пассажирский паровозный поезд прошёл в 1961. В Европе процесс несколько затянулся – паровозы были заменены в семидесятые. В России некоторые пассажирские и грузовые линии использовали паровозы вплоть до конца восьмидесятых – начала девяностых. Во многих африканских и азиатских странах паровозы использовались до конца двадцатого века. В частности, в Южной Африке последние коммерческие линии закрылись в 1994, в Индии – в 2000, а в Китае использование паровозов в грузовых поездах официально было прекращено лишь в 2005.

Паровозы в XXI веке

Так прошла эпоха регулярного использования паровозов для коммерческой перевозки пассажиров и грузов, и началась их новая жизнь. Зачем же они нужны в XXI веке?

Во-первых, в туристических и исторических целях. В мире насчитывается несколько сотен линий, имеющих культурное и историческое значение. Не все из них используют паровозы, но и первые модели тепло- и электровозов представляют не меньший интерес для пассажиров, привыкших к скоростным современным экспрессам.

Во-вторых, в кинематографе. Каждый год снимаются новые исторические фильмы, в которых паровозы принимают непосредственное участие.

И, в-третьих, на всякий случай. Например, такой, как глобальный топливный кризис, крупная техногенная или природная катастрофа. При этом у паровозов обнаруживается немало преимуществ перед современными машинами.

• Простота конструкции. Простейший паровоз намного проще сконструировать, чем любую иную аналогичную машину.
• Простота обслуживания. Ухаживать нужно за любой машиной, но в целом паровозы менее проблемны в уходе, чем их более современные аналоги.
• Всеядность. Паровозы ездят на всём, что горит: уголь, дрова, солярка, мусор и прочее.

Как ни странно, больше всего действующих паровозов сохранилось в прогрессивной Европе. Например, в одной лишь Великобритании эксплуатируются несколько сотен паровозов, и компании операторы пригородных линий активно используют их для привлечения туристов.

В России около тысячи паровозов были законсервированы и сохранены в качестве национального резерва. Некоторые из них можно увидеть в музеях, прочие же, видимо, никак не используются.

Новые паровозы

До сих пор речь шла о серийных паровозах, выпущенных во времена их массовой эксплуатации, но многие будут удивлены, узнав, что новые паровозы продолжают конструироваться и выпускаться в XXI веке. Закончено из них немного – около семи, и ещё пара десятков в сборке. Эти паровозы делятся на две группы:

• Реплики старых моделей, воссозданные с использованием новых технологий. С ними всё более и менее просто. Они является исторической реконструкцией.
• Новые паровозы, специально сконструированные с нуля и способные к конкуренции с современными тепло- и электровозами. В лучших нынешних паровозах КПД не более 14%, но в планируемых различные улучшения позволили бы значение около 25%! Что приблизило бы паровоз по экономичности к дизелю. Им даже придумали специальное название – Advanced steam technology. Почему бы и нет? Обычно к ним возрастает интерес во время очередного топливного кризиса. Начало XXI века было отмечено рекордными ценами на нефть и газ. После их резкого падения, многие интересные проекты были, увы, заморожены.

LNER Peppercorn Class A1 60163 Tornado

Один из самых известных представителей последней группы LNER Peppercorn Class A1 60163 Tornado – первый паровоз построенный в Великобритании начиная с 60-х годов. Он является эволюцией серии LNER Peppercorn Class A1, производимой в Соединённом Королевстве в 60-e. Паровоз строили всем миром с использованием новейших технологий. Закончили в 2008.

No. 52 8055

No. 52 8055 – реплика одного из последних немецких паровозов. Компания DLM закончила его в 2009, и паровой красавец давно курсирует по Швейцарии.

The 5AT

The 5AT – ещё один интересный проект, курируемый 5AT Group, после её распада в 2012 году был заморожен. В 2012 создана новая группа The Advanced Steam Traction Group, призванная продолжить его.

The ACE 3000

The ACE 3000 – был предложен Россом Роулендом в период нефтяного кризиса 1970-х годов. Он должен был выглядеть как дизель, и разрабатывался, чтобы конкурировать с современными тепловозами, используя уголь, бывший намного дешевле нефти в то время. ACE 3000 включал в себя множество новых технологий, таких как автоматический контроль огня и уровня воды. Локомотив мог быть подключен к дизельному блоку и работать в паре с ним. ACE 3000 был одной из самых разрекламированных попыток создания современного паровоза, но проект в конечном счете потерпел неудачу из-за нехватки финансирования. Ну а как иначе?

The CSR Project 130

The CSR Project 130 – современный паровоз (основанный на паровозе класса ATSF 3460), способный к высокоскоростным пассажирским перевозкам со скоростью более 100 миль в час, и успешно разогнанный до 130 миль в час (отсюда название Project 130). Предполагается, что он будет экологически чистым, поскольку будет работать на биомассе в виде твердого топлива (в отличие от всех других современных конструкций, которые требуют жидкого топлива). Он совместная работа Института по окружающей среде (IonE) в Университете Миннесоты и Sustainable Rail International, некоммерческой организации железнодорожных экспертов и инженеров.

Solar Steam Train

Solar Steam Train – безогневой паровоз, использующий заранее полученный перегретый пар. Увы, кроме упоминания, никакой информации не нашёл по нему.

Паровозы и охрана природы

Внезапно у паровозов обнаружили не менее важное преимущество, способное перекрыть многие их недостатки – они оказались более экологичными! И правда, все современные ДВС основаны на использовании микровзрыва, образующего кроме углекислого газа очень ядовитые угарный газ и окислы азота. Паровые машины используют непрерывное горении при более низкой температуре и лишены подобных проблем.

Так что, вполне возможно, мы ещё увидим новую эру паровозов!

Ссылки

Steam locomotive – Wikipedia
Advanced steam technology – Wikipedia
Steam locomotives of the 21st century – Wikipedia
International Steam Locomotives 2017

КПД паровоза

Коэффициент полезного действия (КПД) паровоза — величина, с помощью которой можно оценить эффективность использования в паровозе тепла, полученного в результате сжигания топлива. КПД паровоза — это отношение тепла, затраченного на работу по перемещению паровоза к максимальному количеству тепла, которое это топливо может выработать.

Первые паровозы появились в Великобритании в начале XIX столетия. Их коэффициент полезного действия был очень низок. С течением времени паровозы совершенствовались, но на коэффициент это практически не влияло. Максимальный КПД самых совершенных паровозов, выпускавшихся в начале XX века, не превышал 6-8%, средний — 4%. Модернизация паровозов этот вопрос практически не решала — их КПД почти не превышал 7%.

Настоящим прорывом в решении данного вопроса стало применение перегретого пара. Это позволило увеличить мощность и скорость. Произошло это в начале XX века. Однако, использование перегретого пара позволило увеличить мощность более, чем в 100 раз, скорость — в 15 раз, а КПД — только в 2 раза.

Так почему же так сложно повысить коэффициент полезного действия паровоза? Много своих работ изучению этого вопроса посвятил академик С. П. Сыромятников. Он связывал увеличение коэффициента с уменьшением массы парового котла и установкой различных устройств для повышения мощности и экономичности. Сыромятников считал, что передняя часть труб внутри парового котла вырабатывает не более 15% от общего количества пара. По проекту академика был создан паровоз с изменениями в паровом котле: укороченной передней трубной частью и установленным в специальной камере выносным перекрестночным пароперегревателем. Кроме того, по мнению Сыромятникова, увеличению КПД должно было способствовать сжигание угля в измельченном виде. Однако, в связи с этим появлялась проблема — загрязнение задней трубной решетки шлаком и золой. Для решения этой проблемы было предложено увеличить объем топки за счет отказа от зольника. Угольная пыль должна была сгорать в месте нахождения зольника, а не перед трубной решеткой.

Проблема низкого коэффициента полезного действия паровоза связана с тем, что пар, покидая машину, уносит с собой значительную часть полученной тепловой энергии. Температура уходящего пара составляет 120-180 градусов, давление — около 1,5 атмосфер. Теплосодержание этого пара равно примерно 650 килокалорий. Это довольно значительная потеря, которая составляет около 40%. Кроме этой, существуют еще другие потери: от неполного расширения пара, утечка его через неплотности, противодавление на нерабочую сторону поршня. Все эти потери значительно снижают КПД паровоза. К ним еще добавляется потери на преодоление сил трения при движении. Поэтому КПД паровоза в процентах не превышает 12-14.

Подводя итог, можно сказать, что низкий КПД паровоза связан со значительной потерей энергии из-за выброса пара и невозможностью использовать эту энергию из-за движения. В стационарных же установках такая энергия используется, например, на отопление или горячее водоснабжение.

Читайте также:

Насколько эффективны паровозы?

Паровозы были первым в мире настоящим видом общественного транспорта, и хотя в большинстве стран мира они были заменены более новыми технологиями, они по-прежнему очаровывают сердца взрослых и детей во всем мире. Насколько эффективны паровозы по сравнению с их дизельными и электрическими аналогами? Используются ли они сегодня?

В настоящее время в мире используется несколько типов локомотивных двигателей, и они приводятся в действие разными способами. Каждый из этих двигателей также имеет свой собственный набор плюсов и минусов.

• Паровозы получают тяговую силу от паровых двигателей. Эти двигатели начинаются с систем котлов, в которых сжигается уголь, древесина или масло для нагрева воды до образования пара. Затем пар давит на поршни в двигателе, и движение поршней заставляет колеса вращаться.

• Электровозы — это те, которые получают энергию от электричества, и есть два разных типа. В некоторых электропоездах используется подвесной пикап; контакт осуществляется с воздушным электрическим проводом, передающим питание на двигатель. Другие используют третий рельс, который проводит мощность почти так же, как и верхний датчик, но вместо этого он расположен на нижней стороне локомотива.

• Дизельные локомотивы используют дизельный двигатель внутреннего сгорания — почти как в полуприцепе или школьном автобусе — для питания. Эти двигатели до сих пор используются во всем мире, потому что они практичны, меньше загрязняют окружающую среду и их проще обслуживать.

• Слаговые локомотивы иногда называют дронами, и хотя они сами не обеспечивают электроэнергией, они подключены к дизель-электрическим локомотивам, чтобы обеспечить лучшее торможение и большую тягу для более безопасной езды. Слизняк имеет двигателей, но они питаются от «матери» или основного локомотива.

• • Газоэлектровозы сегодня в мире довольно редки, но все же существуют. Электрические генераторы или генераторы переменного тока, приводящие в движение двигатели, приводятся в действие газовыми турбинами. Когда в 1970-х годах разразился нефтяной кризис, эти поезда были отложены на второй план из-за огромного объема газа, необходимого для их питания.

• Гибридные локомотивы — один из наиболее распространенных типов локомотивов на сегодняшний день. Они используют топливный источник питания и электрический двигатель, но у них также есть перезаряжаемая «батарея» на борту, очень похожая на современные гибридные автомобили и грузовики. Мощность батареи используется уникальным образом; он улавливает кинетическую энергию поезда и преобразует ее в мощность торможения.

• Электровозы на топливных элементах являются новейшей из этих технологий и преобразуют водород в энергию с помощью топливных элементов. Они были представлены в Канаде в 2002 году, и только в нескольких местах они используются по сей день.

• Паро-дизельные гибридные локомотивы все еще существуют в таких местах, как Россия и Великобритания, но их больше нет на путях. Первоначально они были спроектированы таким образом, чтобы использовать дизельное топливо или котел для перемещения поршней, но стоимость мазута была настолько высока, что от этой идеи отказались.

Еще в 1950-х годах, когда мир только открывал истинный потенциал ядерной энергетики, был предложен атомно-электрический локомотив. Из-за потенциальной опасности и стоимости (для этого потребовался бы 200-метровый реактор и свинцовое покрытие толщиной 1,5 метра) от этой идеи отказались.

Изобретение паровоза стало поворотным моментом в истории человечества. Впервые стало возможным перевозить большое количество товаров, животных и даже людей быстрым, дешевым и надежным для того времени способом. Фактически, паровоз проложил путь железнодорожной системе, которая в конечном итоге привела к промышленной революции и технологии, которую мы все используем сегодня. Билл Хупер

Первый паровой двигатель был представлен миру еще в 1770-х годах шотландским изобретателем по имени Джеймс Уатт. Он запатентовал свое изобретение, чтобы никто другой не мог воспользоваться его идеей, но Уатт так и не увидел, как его изобретение воплотилось в жизнь. Только 30 лет спустя, когда срок действия патента истек, изобретатели действительно получили возможность воплотить паровое движение в жизнь. Первый полностью функциональный паровой двигатель был представлен Ричардом Тревитиком, и это был самый эффективный прототип, существовавший в то время.

Важно отметить, что до этого никто не верил, что паровой двигатель можно использовать в реальных промышленных целях; это просто не будет достаточно мощным. Однако Тревитик доказал, что все они ошибались, и протащил 10-тонный груз за 10-мильное путешествие, просто чтобы показать владельцу шахты, что это можно сделать. Хотя паровой двигатель Тревитика в конце концов не увенчался успехом, его идеи и целеустремленность подпитывали инновации со всего мира.

Первый успешный паровоз приписывают Мэтью Мюррею. В 1804 году он построил первый в мире полнофункциональный паровоз. В 1812 году локомотив Мюррея «Саламанка» с двумя цилиндрами стал достоянием общественности. Изобретателем первого паровоза для общественного транспорта был Джордж Стефенсон, который наиболее известен созданием «Локомотива» в 1825 году. Он много лет управлял железной дорогой Стоктон и Дарлингтон в Англии. Чуть позже Стефенсон спроектировал и успешно изготовил «Ракету», которая имела революционный котел под давлением, который позволял ей развивать максимальную скорость 45 миль в час при перевозке 30 человек. Локомотивы, такие как «Ракета», были первыми, и к середине 1800-х годов они были по всей Англии.

Паровые двигатели больше не используются для общественного транспорта, но многие из них были сохранены и/или восстановлены для использования в качестве туристических достопримечательностей. Только в США есть десятки мест, где люди могут сесть на паровой поезд, чтобы испытать это чувство ностальгии. На момент написания статьи два паровоза все еще работают сегодня — Union Pacific № 844 и 4014. Джефф Хэмптон

Хотите верьте, хотите нет, но паровые локомотивы не были полностью выведены из эксплуатации в Соединенных Штатах до 19 века.60-х годов, и их заменили дизельными или электрическими двигателями. Оба этих варианта были более эффективными (и, следовательно, рентабельными), чем их паровые аналоги.

Насколько эффективны паровозы? Они вообще неэффективны. Только около 5% потенциальной энергии, вырабатываемой котлом паровоза, передается на колеса в виде фактической приводной мощности. Это означает, что 95% энергии, произведенной при сжигании угля, дерева или нефти, было потеряно. И наоборот, дизельный двигатель имеет КПД на 45 %, что значительно больше, чем у его паровых аналогов, а современные электрические двигатели сегодня имеют колоссальные 9 % эффективности.КПД 5%, что делает их самыми эффективными локомотивами из существующих.

На заре парового передвижения топлива было предостаточно. Уголь, дрова и нефть были повсюду. К 1960-м годам это была другая история. Растущему населению требовалось больше жилья, а также больше электроэнергии и тепла для этого жилья, что требовало более высоких затрат. Затраты уже росли к тому времени, когда в 1934 году на железной дороге был представлен первый дизельный двигатель; В том же году «Зефир» совершил свое первое путешествие из Денвера, штат Колорадо, в Чикаго, штат Иллинойс. Технология все еще была экспериментальной, а поскольку экономика только начинала восстанавливаться после эпохи депрессии, денег на нее просто не хватало. Однако успех этого единственного путешествия подготовил почву для грядущей новой эры железных дорог. Роджер Пута

В конце концов, потребность в снижении транспортных расходов превзошла нежелание инвестировать в новые технологии. Разработчики дизельных двигателей пообещали, что их новая технология будет более доступной в использовании, что она будет быстрее и сможет двигаться дальше, не останавливаясь, чтобы долить масло и воду для котла.

Также полезно отметить, что обслуживание парового двигателя также было трудным и дорогостоящим делом. Федеральный закон в то время требовал ежемесячного обслуживания, которое включало очистку цистерн — масштабное мероприятие. Кроме того, двигатели почти постоянно требовали капитального ремонта, чтобы продолжать работать. Паровые двигатели были доступны только около 35% времени из-за необходимости постоянного обслуживания, но дизельные двигатели были доступны 95% времени, потому что их потребности в обслуживании были очень низкими.

Как и у легковых и грузовых автомобилей, тяговое усилие локомотива можно измерить в лошадиных силах. Паровозов уже давно нет, и большинство современных мощных грузовых поездов работают на дизельном топливе. Они быстрые, эффективные и относительно простые в обслуживании, что делает их лучшим вариантом для перевозки больших объемов грузов на большие расстояния. Современные локомотивы имеют широкий диапазон мощностей; некоторые могут похвастаться около 1000, а другие могут иметь до 18000. Современные локомотивы, как правило, имеют номинальную мощность 10 000 лошадиных сил или выше, и это верно даже для современных новых электровозов. Джонатан Ли

С паровозами дело обстоит иначе. Самый большой паровой двигатель, когда-либо построенный, — это Union Pacific № 4014, который до сих пор работает в Вайоминге. Он был создан исключительно для перевозки крупных объектов без необходимости использования дополнительных локомотивов. Этот массивный локомотив весит 600 тонн ( просто локомотив!) и имеет длину 132 фута. Он может похвастаться мощностью 6290 лошадиных сил, может развивать максимальную скорость 70 миль в час и может проехать около 100 миль, прежде чем ему потребуется техническое обслуживание.

Когда дело доходит до мощности и лошадиных сил, дизельный двигатель по-прежнему лучше, чем паровой двигатель. В первую очередь важна стартовая мощность. Дизельный двигатель внутреннего сгорания может сразу обеспечить полную мощность движения, тогда как паровой двигатель должен работать до полной мощности, и для разгона требуется очень много времени. Возможно, самая большая разница между ними с точки зрения мощности заключается в том, что тепловозы можно комбинировать для перевозки особо тяжелых грузов. Это просто не относится к паровым двигателям; одновременно к нагрузке может быть прикреплен только один, и размер этой нагрузки в конечном итоге также будет определять скорость ускорения локомотива.

Самый мощный в мире паровоз является предметом горячих споров, но большинство согласится, что победителем стал C&O Allegheny. Этот локомотив был построен для Lima Locomotive Works и курсировал почти исключительно по железной дороге Чесапик и Огайо. Он имел шарнирно-сочлененную конструкцию с колесной формулой 2-6-6-6, а по мощности и тяговому усилию вполне возможно, что это был самый мощный паровоз из когда-либо построенных. Он также был одним из самых тяжелых; когда он был загружен тендером из 25 тонн угля и 25 000 галлонов воды, он весил почти два миллиона фунтов, а это без груза. Джонатан Ли

Он был создан для перевозки многих тонн угля Западной Вирджинии между Западной Вирджинией и Вирджинией, и, хотя он был разработан для достижения высоких для своего времени максимальных скоростей, на самом деле он никогда не предназначался для использования на таких скоростях. «Allegheny» был настолько же хорош, насколько и функционален в этом отношении. Удивительно, но когда новый дизайн Lima был испытан, он выдал почти 7500 лошадиных сил и более 110 000 фунтов тягового усилия — намного больше, чем даже Union Pacific № 4014! Он мог тянуть 5000 тонн угля с совершенно удивительной скоростью 45 миль в час, и он был рассчитан на перевозку в два раза больше — до 10 000 тонн!

Несмотря на впечатляющую мощность, локомотив был таким же неэффективным, как и другие. Первоначально C&O приобрела 60 таких массивных машин, но они эксплуатировались всего 15 лет, прежде чем последний из них был снят с гусениц. 58 двигателей были списаны, осталось только два. Один из них — № 1601 и второй «Аллегейни», изготовленный руками рабочих Лимы, — находится в музее Генри Форда в Дирборне, штат Мичиган.

Паровозы были представлены почти 500 лет назад, и с тех пор они покорили сердца людей во всем мире. Хотя только один из них продолжает работать на грузовой линии, есть десятки, которые можно увидеть в музеях или даже проехать по историческим железным дорогам. Хотя они были самыми неэффективными локомотивами, они навсегда изменили Соединенные Штаты к лучшему.

Что такое современный Steam? — Coalition for Sustainable Rail

Несмотря на то, что современный паровоз состоит из многих систем, три компонента, которые больше всего влияют на эффективность, эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание:

• Чистое высокоэффективное сгорание — газогенераторная система сжигания (GPCS)
• Высокоэффективная вытяжка – Kylpor, Lempor и Lemprex
• Мощная очистка котловой воды, известная как Porta Treatment (PT)

Впервые эти технологии были разработаны Ing. Ливио Данте Порта , (1922–2003) аргентинский инженер-механик, который продвинул технологию и характеристики паровоза дальше, чем любой другой человек в 20 веке. В возрасте 27 лет он построил свой первый паровоз «Аргентина», который стал самым эффективным паровозом поздней паровой эры, его эффективность более чем вдвое превышала эффективность стандартного американского паровоза.

Близкий друг Порты, Дэвид Уордейл, преобразовал Южноафриканскую железную дорогу 4-8-4 № 3450 в SAR Class 26, которую команда ласково называла «Красным дьяволом» в 1980. Он увеличил мощность тягового стержня (DBHP) с 2500 до 4000 л.с., что на 60% больше, и увеличил его тепловую эффективность примерно вдвое по сравнению с лучшими паровозами США, используя GPCS, Lempor Exhaust и Porta Water Treatment, при одновременном снижении расхода топлива и затраты на содержание существенно.

Следуя по стопам Порты и коллега Дэвида Уордейла, Шон МакМахон, технический директор CSR, является всемирно известным инженером-механиком по современным паровозам. Управляя интеллектуальной собственностью семьи Порта и работая в Технологическом институте Аргентины в Буэнос-Айресе (INTI), в том же институте, где Порта работал и разработал многие из своих усовершенствований, МакМахон является идеальным кандидатом для руководства инженерными модификациями локомотива CSR 3463.

Существуют две технологии, которые отличают современные паровозы от традиционных локомотивов: внедрение газогенераторной системы сжигания (GPCS) вместо обычного сжигания паровоза (которая работает в тандеме с высокоэффективным выхлопом) и использование современной и гораздо более эффективный режим внутренней очистки котловой воды, чем был доступен в эпоху пара в США (PT). Эти технологии работают над повышением общего теплового КПД современных паровозов, в то же время снижая затраты на техническое обслуживание и повышая надежность. Фактически ПТ и ГПСУ за счет устранения пескоструйного воздействия несгоревших частиц топлива приводит к фактической ликвидации обслуживания котла, на долю которого приходилось 91% от стоимости обслуживания паровоза.

Портреты современного пара

Andre Chapelon

Chapelon продвигал современное искусство традиционных паровозов во Франции, прокладывая путь Порте и его последователям. На этом изображении показан шестицилиндровый двигатель 2-12-0.

Porta — Аргентина

Четырехцилиндровый «Аргентина» — самый эффективный паровоз из когда-либо построенных. Картина: Робин Барнс.

Porta — RFIRT 2-10-2

Porta модифицировала 10 существующих и заказала 10 дополнительных новых усовершенствованных 2-10-2 для использования в Аргентине, где были усовершенствованы система GPCS и усовершенствованный выхлоп. Фото: Билл Боткин

Wardale — Red Devil

Пожалуй, самым известным современным паровым проектом была модификация 3’6-дюймовой колеи 4-8-4 номер 3450 Южноафриканских железных дорог Дэвидом Уордейлом. Фото: Джон Кросфорд

Girdlestone / McMahon / Day — ACR

Железная дорога округа Альфред использовала парк паровозов в 1990-х для перевозки грузов и туристов, два из которых были модернизированы Филом Гердлстоуном при содействии Шона МакМахона (CSR) и Найджела Дэя. Фото: Билл Боткин. Порта в конце 1990-х — начале 2000-х. Эта железная дорога использует технологию Porta Treatment и оснащена высокоэффективными паровыми двигателями. Фото: Адитья Сене

Топливная камера газогенератора и усовершенствованная выхлопная система:

В то время как обработка Porta (PT) работает для поддержания низких затрат на техническое обслуживание и эффективной теплопередачи в котле современного паровоза в течение всего срока службы локомотива, газогенераторная система сжигания (GPCS) ) улучшает систему сгорания топлива паровозов, повышая тепловой КПД локомотива и уменьшая абразивную коррозию, присутствующую в традиционных системах сгорания.

Порта описывает свою газогенераторную систему сжигания (GPCS) следующим образом:

«Она, по сути, состоит в преобразовании топки в генератор газа путем увеличения его толщины. Только 30 % (20 % в случае биомассы) воздуха для горения проходит в качестве первичного воздуха через решетку, что приводит к почти незначительному уносу частиц. Вторичный воздух составляет львиную долю воздуха, необходимого для горения, и создает интенсивную турбулентность в пламенном пространстве, так что горение в газовой фазе может протекать до степени полноты, необходимой для соблюдения законов о загрязнении. В то время как он кажется чрезвычайно простым, характеризующим великие изобретения, его термодинамика чрезвычайно сложна — в конце концов, это всего лишь интеллектуальная проблема!»

На приведенном ниже рисунке показан упрощенный вид топки обычного паровоза. При таком расположении большая часть воздуха, необходимого для сжигания топлива, около 90 %, поступает вокруг зольника и движется через колосник и топливо, первичный воздух. Лишь небольшое количество воздуха, около 10 %, поступает в топку в качестве вторичного воздуха через отверстия в топке, а иногда и через наддувочные жиклеры, представляющие собой отверстия, установленные в стенках топки.

Традиционная топка

В обычной топке/котле несгоревшие частицы топлива действуют подобно пескоструйной среде, поскольку они пролетают через котел с высокой скоростью. Это вызывает эрозию металлических поверхностей внутри котла, включая листы, трубы, дымоходы, элементы пароперегревателя и внутреннюю часть дымовой камеры. Эти угли, если они достаточно велики, могут вызвать пожар вдоль полосы отчуждения железной дороги.

Топка GPCS

На рисунке выше показана газогенераторная система сжигания или топка GPCS того же размера и компоновки, что и обычная топка. Колосниковая решетка изменена с традиционной «пальцевой» на решетку с меньшими воздушными отверстиями, что снижает количество первичного воздуха, проходящего через решетку/топливо, примерно до 30%. Для правильной работы GPCS решетки должны обеспечивать равномерный поток воздуха через топку. Через стенки топки также должен быть проложен ряд каналов подачи вторичного воздуха. Они могут располагаться по бокам, сзади, сверху и/или спереди топки. Эти воздуховоды рассчитаны на то, чтобы впустить оставшиеся 70% воздуха, необходимого для полного сгорания топлива. Это значительное уменьшение объема и, следовательно, скорости первичного воздуха, всасываемого через огонь, значительно устраняет унос несгоревших частиц топлива и эффект пескоструйной обработки внутри котла по сравнению с паровозами с традиционным отоплением. Кроме того, меньший уровень уноса топлива и почти полное сгорание топлива значительно увеличивает КПД топки, что проявляется в фактическом удалении «дыма» из дымовой трубы.

Заключительной частью преобразования GPCS является добавление рассеивающих труб, установленных под решетками для подачи пара в огонь. Для этого отводится от трех до четырех процентов отработанного пара от поршней локомотива и различных других паровых агрегатов. Этот пар служит двум целям: 1) поддержание огня ниже температуры плавления золы, предотвращение образования шлака и 2) обеспечение источника воды в реакции газификации, которая преобразуется в газообразный водород и метан в топке. Эти и другие химические реакции требуют поддержания гораздо более глубокого топочного слоя, чем в обычной топке, обычно на пятнадцать кусков топлива. Этот пар должен быть хорошо перемешан с первичным воздухом, чтобы обеспечить правильную работу GPCS.

Ключом к получению достаточной тяги через GPCS, однако, является эффективное расположение дутьевого сопла и дымовой трубы в дымовой камере современного паровоза. Традиционно очень мало внимания уделялось конструкции и устройству этих систем, кроме простого обеспечения того, чтобы поток пара проходил через трубу «юбки», создавая вакуум в дымовой камере.

Вышеупомянутые выхлопы Kylpor, Lempor и Lemprex основаны на одном и том же принципе: позволяют парам сливаться в канале большого объема, затем направлять его через сопло де Лаваля, не отличающееся от ракетного двигателя, разработанного в тандем с изысканным стеком.