Паровоз состоит из трех основных частей, объединенных в одно целое: котла, паровой машины и экипажа. К экипажу обычно постоянно прицеплен тендер, который служит для хранения запасов топлива, воды, смазки и обтирочных материалов.

Принцип работы паровоза заключается в следующем. В части котла, называемой топкой А (рис. 1), сжигается топливо. Газы сгорания топлива, горящего на колосниковой решетке 29, огибая свод 3, опирающийся на циркуляционные трубы 2, омывают стенки огневой коробки 4 и входят через отверстия задней трубной (огневой) решетки 5 в жаровые 7 и дымогарные 6 трубы и через их стенки отдают свое тепло воде. Выйдя через отверстия передней трубной решетки 11 в дымовую коробку В, газы огибают искроотбойные щитки, проходят искрогасительную сетку 16 и выходят через дымовую трубу 15 в атмосферу. Шлак и зола проваливаются через отверстия колосниковой решетки в зольник 28. Образующийся в результате нагрева воды в котле пар собирается над водой в замкнутом стенками котла пространстве, отчего его давление постепенно растет, доходя до рабочего.

Чтобы привести паровоз в движение, открывают с помощью привода 30 регулятор 10 и пар из парового колпака 9 поступает в камеру насыщенного пара 12 коллектора пароперегревателя. Затем пар протекает по трубкам (элементам) 5 пароперегревателя, размещенным в жаровых трубах. От нагрева газами сгорания температура пара в элементах пароперегревателя повышается до 400—450°С и он с такой температурой поступает в камеру перегретого пара 13 коллектора пароперегревателя, откуда по паровпускным трубам 14 проходит к паровой машине паровоза.

Рис. 1. Схема паровоза: А — топка; Б — цилиндрическая часть котла; В — дымовая коробка; К— котел; М — паровая машина; Э — экипаж; Т — тендер; 1 — будка машиниста; 2 —циркуляционная труба; 3 — свод; 4 — огневая коробка; 5 — огневая решетка; б — дымогарная труба; 7 — жаровая труба; 8 —- трубки (элементы) пароперегревателя; 9 — паровой колпак (сухопарник); 10 — регулятор; 11 — передняя трубная решетка; 12 — камера насыщенного пара коллектора перегревателя; 13 — камера перегретого пара коллектора перегревателя; 14 — паровпускная труба; 15 — дымовая труба; 16 — искро-гасительная сетка; 17 — дверца дымовой коробки; 18 — форсовой конус; 19 — паровыпускная труба; 20 — паровой цилиндр; 21 — поршень; 22 — поршневое дышло; 23—сцепное дышло; 24 — движущее колесо; 25 — задняя тележка; 26—автосцепка; 21 — сцепка между паровозом и тендером; 28 — зольник; 29 — колосниковая решетка; 30 — привод регулятора; 31 — рессорная подвеска; 32 — рессора; 33 — букса; 34 — продольный балансир; 35 - рессорная упорка; 36 — ось колесной пары; 37 — брус рамы паровоза; 38 — подбуксовая связь; 39 — поперечный балансир; 40 — передняя тележка; 41 — пружина

В цилиндрах 20 потенциальная энергия пара превращается в механическую энергию возвратно-поступательного движения поршня 21, а связанное с ним поршневое дышло 22 и сцепные дышла 23 вращают движущие колеса 24. Отработавший в паровой машине пар выходит по паровыпускным трубам 19 в форсовой конус 18, создавая тягу газов в котле, и далее через дымовую трубу 15 вместе с газами сгорания в атмосферу.

На экипаже паровоза размещены котел, паровая машина, будка машиниста 1, а на бестендерных паровозах и баки для запасов топлива и воды. Взаимодействие движущих колес экипажа с рельсами при работе паровой машины вызывает появление силы тяги, которая по сцепке 27 между паровозом и тендером, и далее через автосцепку 26 воздействует на прицепленные к паровозу вагоны и заставляет их двигаться вместе с ним.

Для облегчения прохода и безопасности движения с высокой скоростью на кривых участках пути быстроходные паровозы снабжают передней тележкой (бегунком) 40. В паровозах большой мощности с широкой и тяжелой топкой экипаж дополняли задней (поддерживающей) тележкой 25, имеющей колеса небольшого диаметра, позволяющие разместить ее под топкой.

На анимационной схеме подробно показана работа паровоза (оригинал видео можно посмотреть на сайте разработчика:http://www.mekanizmalar.com/locomotive.html )

 

Паровозы, построенные для обслуживания внутризаводских и подъездных путей промышленных предприятий, тендеров не имеют (танк-паровоз).

Рис. 2. Диаграмма теплового баланса паровоза: 1 — потери тепла в топке; 2 — служебный расход пара; 3 — потери тепла на внешнее охлаждение котла; 4 — потери тепла с уходящими газами: 5 — утечка пара; 6 — потери тепла в паровой машине; 7 — механические потери на трение в машине и в шейках; 8 — полезная работаНаглядное представление, о распределении тепла, содержащегося в расходуемом паровозом топливе, может дать диаграмма, изображенная па рис. 2.

Потери в топке 1, в среднем оцениваемые в 8%, складываются из химического и механического недогорання топлива. Химический недожог объясняется невозможностью сжечь весь углерод С в окись—-С0₂; некоторая часть углерода, из-за недостатка воздуха, сгорает в закись углерода СО, не отдавая всего тепла, которое может выделиться при полном окислении углерода. Механический недожог складывается из уноса несгоревшпмп мелких частиц топлива из топки с потоком воздуха и газов, а также из попадания в шлак н провала через колосники в зольник некоторого количества топлива.

Служебный расход пара 2, составляющий в среднем около 6,5%, необходим для работы паровой машины углеподатчика, разбрасывания угля по колосниковой решетке, подачи воды в котел, продувки жаровых и дымогарных труб, работы паровоздушного насоса и питания турбины электрогенератора.

Потери на внешнее охлаждение котла 3, оцениваемые в среднем в 1,5%, пояснений не требуют. В зимнее время они возрастают в связи с понижением температуры окружающего котел воздуха.

Вторую по величине потерю —с уходящими газами 4 — в среднем можно принять 17—18%. Она может быть уменьшена за счет подогрева воздуха уходящими газами.

Неизбежные утечки пара 5 через сальники и различные уплотнения принимают обычно равными 5%. Однако, при тщательном уходе за паровозом и высококачественном ремонте эти потери могут быть существенно уменьшены.

Наибольшие потери составляет тот запас тепла, который заключен в покидающем паровую машину отработавшем паре 6; они составляют 52—53% и могут быть уменьшены за счет использования некоторой части отработавшего пара для подогрева питательной воды, хорошей регулировки парораспределения в грамотного управления паровозом.

Механические потери в машине и в шейках на трение 7 оцениваются в 1,5—2%. Кроме применения подшипников качения в дышловом механизме и в буксах, эти потери можно несколько уменьшить хорошим уходом, своевременным и правильным смазыванием мест трения.

Из приведенных данных явственно выделяется большое значение экономного расходования топлива.

Ширина колеи

По ширине колеи паровозы бывают ширококолейные и узкоколейные. Широкая колея для Стран СНГ и стран Балтии имеет расстояние между головками рельсов с 1970 года 1520 мм (первоначально расстояние было принято 1524 мм для строительства железных дорог еще в царской России). В настоящее время ширина колеи не стандартизована во всем мире и разные государства применяют исторически сложившуюся в данном регионе ширину колеи. Самой распрастраненной является колея шириной 1435 мм (Именно эта ширина колеи была принята для постройки первой пассажирской железнодорожной линии в Великобритании Ливерпуль — Манчестер инженером Джорджем Стефенсоном., откуда и распрастранилась по всему миру вместе с первыми паровозами, которые заказывались у того же Стефенсона для региональных железных дорог.

Количество цилиндров

Паровозы бывают двух-, трех- и четырехцилиндровые

Паровая машина паровоза

Паровые машины бывают — однократного расширения (простого действия) и двукратного расширения (система компаунд).

Паровая машина однократного расширения

Такую паровую машину называют еще машина простого дйствия, в ней пар высокого давления из котла поступает в цилиндр  и после хода поршня отработанный пар выбрасываеться в атмосферу (через конус в дымовой коробке для создания тяги). Частично отработанный пар может использоваться для вспомогательных нужд - подогрева воды перед закачкой в котел, подогрева воздуха для топки и др.

Паровая машина двукратного расширения системы компаунд

Паровя машина двойного расширения имеет два цилиндра, цилиндр высокого давления (меньшего диаметра) и низкого давления (большего диаметра) в которых пар работает последовательно. 
Свежий пар из котла поступает в меньший цилиндр высокого давления. Отработав там (первое расширение), пар перепускается в больший цилиндр низкого давления. Такая схема работы позволяет более полно использовать энергию пара и повысить коэффициент полезного действия двигателя.

Компаунды конструктивно имели несколько вариантов:

Привод паровоза паровой машиной компаунд	Цилиндры высокого и низкого давления располагались с левой и с правой стороны  снаружи рамы. При такой конструкции у паровоза возникали проблемы при трогании с места. Это вынуждало создавать устройства, позволяющие использовать при трогании с места оба цилиндра под пар высокого давления, потом переходя в режим двойного расширения;
Паровая машина тандем-компаунд	Тандем-компаунд Цилиндры располагались последовательно на общем длинном штоке (тандем-машина). Подобную схему имели российские паровозы серий Р и П;
Кампаунд машина системы Воклена паровоза серии Х	Кампаунд системы Воклена Цилиндры низкого давления, расположенны над цилиндрами высокого давления (или наоборот); поршни каждой пары цилиндров жестко связаны с общим ползуном, т. е. паровоз имел только два поршневых дышла. Отработавший в задней полости цилиндра высокого давления пар поступал в переднюю полость расположенного над ним цилиндра низкого давления, а пар из передней полости цилиндра высокого давления — в заднюю полость цилиндра низкого давления.  Такую схему имели паровозы американской постройки серий В и X;
Коленчатая ось трехцилидрового паровоза	Компаунд система де Глена Цилиндры высокого давления располагались снаружи рамы и связывались со средней движущей осью, а цилиндры низкого давления распологались внутри рамы и связывались — с первой (или второй) коленчатой осью. По такой схеме выпускались паровозы серии У, а также опытный чехословацкий паровоз 18-01.
Паровоз ? (фета)	Компаунд системы Маллета Цилиндры высокого давления распологались на неподвижной раме, а цилиндры низкого давления — в поворотной тележке, что позволяло подводить к последним пар с давлением меньшим, чем котловое. Этим облегчались условия работы сальников паропровода, являющихся одним из самых слабых мест сочлененных паровозов. По такой схеме например выпускались российские паровозы ? (фета)
Более подробнее о компаунд-паровозах можно прочитать здесь

 

Тендерные и танк-паровозы

Тендерные паровозы для размещения запасов воды и топлива используют  прицепные устройства - тендеры. Использование тендеров позволяет брать больший запас воды и топлива и использовать паровоз на больших перегонах без дозаправки

Танк-паровозы тендер не используют -  вода и топливо распологаются на самом паровозе. Такая компоновка позволяет увеличить сцепной вес паровоза и существенно уменьшить габариты. Из-за того что запасы топлива  и воды невелики такие паровозы строились для использования для маневровой службы и обслуживания на местных линиях небольшой протяженности. К недостаткам таких паровозов можно отнести то, что по мере расходования воды и топлива, сцепной вес уменьшался.

Конструктивные схемы паровозов

По конструктивным схемам паровозы можно условно разделить на несколько групп: 

Паровозы с жесткой рамой

Строго говоря самый большой паровоз с жесткой рамой был построен в СССР на Луганском паровозостроительном заводе в 1934 году, им был  опытный грузовой паровоз АА20-1. Паровоз имел семь ведущих осей на жеской раме.

паровоз АА20-1 (модель)

Но судьба его сложилась неудачно. В 1935 г. локомотив совершил несколько поездок, при которых обнаружился ряд конструктивных недостатков; кроме того, этот паровоз расстраивал пути, сходил с рельсов на стрелках, не помещался на повортных кругах и в стойлах депо. Эксплуатация его в связи с этим вскоре была прекращена. 

Сочлененные паровозы

Паровоз системы Маллета

Схема паровоза по системе МаллетаПо этой схеме движущие колёсные пары разделяются на две, обычно равные, группы.  Одна часть движущих осей расположена на подвижной (поворотной) тележке, а другая группа движущих осей установлена на жесткой раме паровоза. Впервые такая система была предложена швейцарским инженером Анатолем Маллетом, в честь которого и получила своё название.

На построенных по такой схеме паровозах первоначально устанавливались паровые машины двойного расширения. Ведущие колеса установленные на жесткой раме паровоза приводились в движение цилиндрами высокого давления, а на подвижной тележке устанавливались цилиндры низкого давления. Это позволяло подводить к последним пар с давлением меньшим, чем котловое. Этим облегчались условия работы сальников паропровода, являющихся одним из самых слабых мест сочлененных паровозов. 

Ложный Маллет

схема паровоза Union Pacific 4000Вообще принято, системой Маллета называть паровозы, на которых применяется машина-компаунд, однако зачастую Маллетом называют и паровозы, у которых первая группа движущих осей также расположена на поворотной тележке, но паровая машина при этом простая, то есть с однократным расширением. Такая система получила неофициальное название «ложный Маллет».

Ярким представителем такой конструкции являеться паровоз  Union Pacific 4000 (больше известный как BIG BOY) выпускавшийся фирмой  ALCO в 1941-1944 годах.

Паровоз системы Гарратт 

Схема паровоза по системе Гарратт  Тип сочленённого паровоза, при котором паровые машины располагаются на двух отдельных тележках, на них же размещаются ёмкости для воды и топлива. Основная рама паровоза (рама-мост) на которой находится паровой котёл и кабина машиниста опираются на эти тележки через шкворни. Впервые данная система была предложена английским инженером Гарраттом (англ. Herbert William Garratt, 1864—1913). На паровозе такой конструкции можно установить колосниковую решётку большей ширины, а следовательно и площади, такой паровоз легко вписываеться в кривые. Недостатком такого паровоза являеться изменение сцепного веса при расходе воды и топлива, этот недостаток частично компенсировался прицепным тендером-цистерной в которой возилась вода, которая перекачивалась в емкости расположенные непосредственно на паровозе по мере их расходования.  Также такой паровоз имеет длинные паропроводы от котла к машинам, что приводило к большим потерям тепла.

Паровозы такой системы получили наибольшее распространение на  железных дорогах с теплым климатом в странах Африки, а также в  Австралии. Также несколько паровозов этой системы эксплуатировались на железных дорогах Южной Америки.

Паровоз системы Гарратт серии 400 Австралийских железных дорог

Паровоз система Мейера

Схема паровоза по системе МейераТакая схема предложена французским инженером Жан-Жака Мейера (Jean Jacques Meyer), в 1861 г. Паровоз, чаще всего танковый, устанавливается на две тележки с ведущими колесами. К преимуществам такой конструкции можно отнести легкое вписыванеи в кривые такого локомотива. Малая длина паропроводов позволяет снизить теплопотери. Основным недостатком являеться то, что одна из тележе находиться под топкой, что не позволяет устанавливать мощную топку и соответственно мощный котел.

 

 

Осевая формула паровоза

Осевая формула паровозаПаровозы имеют движущие (сцепные), а также бегунковые и поддерживающие колесные пары. В зависимости от количества движущих, бегунковых и поддерживающих колесных пар паровозы разделяются на типы по осевой формуле. ОСЕВАЯ ФОРМУЛА - условное обозначение типа локомотива с указанием рода, числа и расположения его осей. Первая цифра формулы означает число передних поддерживающих осей, вторая — число движущих (сцепных) и третья — число задних поддерживающих осей. Цифры эти отделяются черточками. При отсутствии передних или задних поддерживающих осей ставится цифра 0. Напр.: паровоз серии ИС с четырьмя движущими осями, одной поддерживающей осью впереди и двумя поддерживающими сзади обозначается 1-4-2. Сочлененные паровозы (сист. Маллета, Ферли, Гаррата и пр.) с двумя самостоятельными тележками и двумя независимыми движущими механизмами на них сохраняют ту же систему обозначений по каждой независимой группе осей, но с добавлением знака плюс между обозначениями каждой из групп. Напр.: паровоз Маллета серии ?чб с двумя группами осей по 3 движущие (без поддерживающих) в каждой группе обозначается 0-3-0+0-3-0. Во Франции принято обозначать типы локомотивов как и в СССР (по количеству осей). В США и Англии осевая формула составляется подобным же образом, но вместо числа осей ставится число колес. В этом случае формулу правильно называть колесной формулой. В Германии осевая формула составляется таким образом: число движущих (сцепных) осей обозначается заглавной буквой немецкого алфавита, причем буква А означает 1 движущую ось, В — 2 движущие оси, С—3, D — 4, Е — 5 и т. д. Слева от буквы ставится число передних поддерживающих осей, справа — число задних. При отсутствии поддерживающих осей нули, разделяющие черточки и знаки плюс также не ставятся. При такой системе обозначения паровоз ИС 1-4-2 был бы обозначен 1D2.

Название паровоза

Партия построенных одинаковых паровозов называется серией. Для различия отдельных серий паровозов в царской России и СССР было принято присваивать им буквенные обозначения русского алфавита, которые обычно даются по наименованию завода, разработавшего данный паровоз, по имени конструктора, спроектировавшего его, а иногда серию паровоза обозначают свободной буквой алфавита. Например, паровоз серии С разработан Сормовским заводом, паровоз серии К — Коломенским заводом, паровоз серии Б — Брянским заводом, паровоз серии Л обозначен так по имени его конструктора—Лебедянского. Серия модернизированного паровоза Л обозначена двумя буквами- ЛВ (Ворошиловградский).

Некоторым сериям паровозов, построенным в советское время, присвоены обозначения из двух букв по имени и фамилии руководителей партии и правительства: ФД — Феликс Дзержинский, СО — Серго Орджоникидзе.

Многие серии паровозов имеют еще дополнительные обозначения к основной букве (индексы), например: Су — усиленный, Эм — модернизированный, СОм — с механическим углеподатчиком и т. д.

На некоторых паровозах изменение конструкции отмечено цифрой, поставленной рядом с серией и обозначающей нагрузку от движущей оси на рельсы, например: ФД20 — нагрузка от оси на рельсы 20 тс, ФД21 - нагрузка 21 тс; С017, С018 и С019 — с соответствующими этим цифрам нагрузками от оси на рельсы.

В Великобритании существовала довольно трогательная традиция, каждому паровозу присваивать имя собственное. Например название паровоза LMS Coronation Class № 6229 DUCHESS OF HAMILTON следует читать так: LMS - название железнодорожной компании; Coronation Class - серия; № 6229 - номер; DUCHESS OF HAMILTON - имя собственное "Герцогиня Гамильтон"