Паровозный котел состоит из трех основных частей: топки 1, цилиндрической части 12 и дымовой коробки 9 (рис. 3).

Топка (задняя часть котла) состоит из огневой коробки 4 и кожуха 2.

Рис. 3. Котел паровоза: 1 —топка; 2 — кожух топки; 3 — лобовой лист; 4 — огневая коробка; 5 — циркуляционные трубы; 5 —задняя решетка; 7 — дымогарные трубы; 8 — жаровые трубы: 9 — дымовая коробка; 10 — передняя решетка; 11 — паровой колпак; 12 — цилиндрическая часть

В огневой коробке на колосниковой решетке происходит сгорание топлива, сопровождаемое большим выделением тепла. Температура горения достигает 1600—1800°С. Чтобы при этой температуре стальные стенки огневой коробки не перегревались, наружная их поверхность охлаждается водой. Вода, поглощая от стенок огневой коробки теплоту, превращается в пар. Кожух топки является оболочкой огневой коробки.

Цилиндрическая часть соединена с кожухом топки. В цилиндрической части котла помещаются дымогарные и жаровые трубы. В жаровых трубах, имеющих больший диаметр против дымогарных, размещены элементы пароперегревателя. По трубам из топки в дымовую коробку проходят горячие газы (продукты сгорания топлива) и отдают часть тепла воде, омывающей трубы снаружи, п насыщенному пару, проходящему по элементам пароперегревателя.

Дымовая коробка представляет собой камеру разрежения, необходимого для создания притока атмосферного воздуха через колосниковую решетку к горящему топливу в огневой коробке. Продукты сгорания поступают в дымовую коробку по дымогарным и жаровым трубам и через дымовую трубу отводятся в атмосферу. Максимальное разрежение в дымовой коробке при напряженном режиме работы паровозного котла достигает от 200 до 300 мм вод. ст.

Параметры котла. Вода в котле должна закрывать потолок огневой коробки, жаровые и дымогарные трубы. Площадь открытой поверхности воды в котле называется зеркалом испарения. Объем пара, заполняющий пространство над зеркалом воды, называется паровым объемом, а пространство, заполненное водой,— водяным объемом.

С изменением уровня воды в котле зеркало испарения и паровое пространство изменяют свои величины. Нормально уровень веды в котле находится на 200 мм выше самой высокой точки потолка огневой коробки.

Находящийся в котле пар заполняет над поверхностью воды паровое пространство и паровой колпак 11. Паропроизводительностью котла называется его способность приготовлять в единицу времени, например в 1 ч, необходимое количество пара рабочего давления и температуры.

Для обеспечения паровой машины и собственных нужд паровоза паром в количестве, необходимом для вождения поездов заданной массы и длины по определенному профилю пути с заданной скоростью, паровозный котел должен иметь соответствующую паропроизводительность.

Паропроизводительность котла определяется следующими показателями:

площадью колосниковой решетки, от которой зависит количество топлива, сжигаемого в единицу времени;

топочным объемом (внутренним пространством огневой коробки), от размеров которого зависит эффективность использования топлива;

испаряющей поверхностью нагрева котла (поверхностью огневой коробки, жаровых и дымогарных труб, омываемых водой);

газовой поверхностью пароперегревателя (наружной поверхностью всех элементов пароперегревателя, по которым движется и нагревается пар).

Испаряющаяся поверхность нагрева котла и наружная поверхность элементов пароперегревателя, расположенных в жаровых трубах, составляют полную, или общую, поверхность нагрева котла.

Следовательно, мощность котла зависит от размеров колосниковой решетки, его испаряющей поверхности нагрева, параметров пара (давления и температуры), а также теплотворной способности топлива и степени его использования.

Количество топлива в килограммах, которое сжигается в течение 1 ч на 1 м2 колосниковой решетки, называется интенсивностью (быстротой) горения, или форсировкой колосниковой решетки.

Количество пара (в кг), получаемое с 1 м² испаряющей поверхности нагрева котла в течение 1 ч, называется интенсивностью парообразования, или форсировкой котла. Полученный в котле пар обладает определенным теплосодержанием. Теплосодержание пара есть количество тепла в джоулях в 1 кг пара. Так, например, теплосодержание насыщенного пара с давлением 1,5 МП а и содержанием влаги 5% равно 2700 кДж/кг.

При перегреве пара до температуры 250°С и при том же давлении его теплосодержание составит 2930 кДж/кг, а при температуре 400°С возрастет до 3257 кДж/кг пара.

В международной системе единиц измерения (СИ) теплота измеряется в джоулях: 1 ккал = 4,1868 кДж.

Процесс преобразования одного вида энергии в другой в паровозном котле сопровождается потерями, так как только часть располагаемого тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, используется на парообразование и перегрев пара. Поэтому эта часть тепла называется полезным теплом, а другая часть тепла составляет тепловые потери.

Распределение тепла, или так называемое уравнение теплового баланса котла, может быть представлено выражением:

Q₀=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆

где Q₀ — располагаемое тепло, которое выделяется при полном сгорании топлива за 1 ч работы. Так, если за 1, ч израсходовано В_ч кг топлива с теплотворной способностью Q_Р^Н ккал/кг, то располагаемое тепло составит Q₀ = В_ч Q_Р^Н ккал/ч;

Q₁ — полезное тепло, использованное иа парообразование и перегрев пара;

Q₂ — потери тепла в топке — механические. К механическим потерям, составляющим 1—3%, относятся потери топлива в результате прова-ливания через отверстия в колосниковой решетке, смешивания топлива с холодным шлаком или его неполного сгорания, а также уио-са мелких пылеобразных частиц с газами;

Q₃ —потери химические составляют 3—7% и связаны с неполнотой сгорания, так как углерод при сжигании твердого топлива и водород при сжигании жидкого топлива могут частично не вступить в реакцию с кислородом при малой температуре в топке и относительно медленном течении реакции горения по причине недостаточного количества воздуха;

Q₄ — потери тепла с уходящими газами самые значительные — составляют 15—20%, так как газы сгорания топлива не могут отдать котельной воде и пару все содержащееся в иих тепло и, омыв стеики огневой коробки,, дымогарных и жаровых труб, поступают в дымовую коробку с температурой 250—350° С, имея значительное количество тепла, уносимого в атмосферу через дымовую коробку;

Q₅ — потери тепла в окружающую среду составляют 3—5% и вызваны тем обстоятельством, что температура котла выше температуры окружающего наружного воздуха;

Q₆ — расход тепла на служебные иужды (приведение в работу сифона, паровоздушного насоса, подача сигналов свистком, работа углеподатчика или пульверизация жидкого топлива).

Определение тепловых потерь котла производят опытным путем. Для оценки степени совершенства паровозного котла определяется его коэффициент полезного действия.

К-п. д. котла нетто есть отношение полезного тепла Q₁ к располагаемому Q₀

К. п. д. котла брутто характеризует долю затраты тепла Q₀

на приготовление котлом всего пара с учетом расхода пара на служебные нужды Q₆ и подсчитывается следующим образом:

Поэтому коэффициент полезного действия котла зависит от потерь тепла, вызванных конструкцией котла, чистотой его стенок, сорта применяемого топлива и рациональным его сжиганием. В среднем к. п. д. котла составляет 0,6—0,7.

 

Огневая коробка или собственно топка (рис. 4) изготовлена из стальных листов и состоит из следующих частей: потолка 19, двух боковых стенок 20, задней стенки 11 с отверстием для подачи топлива и трубной или задней решетки 4. В трубной решетке имеются отверстия для установки дымогарных и жаровых труб. В топке уложены циркуляционные трубы 21, на которые опирается топочный свод. В нижней части топки расположена колосниковая решетка. В задней стенке топки имеется так называемое шуровочное отверстие, через которое забрасывают топливо на колосниковую решетку.

Рис. 4. Топка с плоским потолком: 1 — верхний лист кожуха топки; 2 — смычной лист; 3 — горизонтальный тяж; 4 — задняя трубная решетка; 5 —лапчатая связь; 6 — жесткая связь; 7 — люк; 8 — передний каблучок; 3 — задний каблучок; 10 — топочная рама; 11 — задняя стенка; 12 — топочное (шуровочное) отверстие; 13, 15 — контрфорс; 14 — передняя стенка кожуха топки; 16 — косынка; 11 — предохранительная пробка; 18 — анкерный болт; 19 — потолок огневой коробки; 20 — боковая стенка; 21— циркуляционная труба

Кожух топки изготовлен из стальных листов и состоит из следующих частей: потолка, двух боковых стенок, лобового листа с отверстием для подачи топлива и ухватного или смычного листа 2 для соединения кожуха топки с цилиндрической частью котла. Смычным этот лист называется, если он охватывает задний конец цилиндрической части котла по всему периметру, а ухватным, если им охвачена цилиндрическая часть котла только снизу.

Потолок огневой коробки выполнен с подъемом в передней его части на величину от 0,016 до 0,020%0, чтобы предотвратить оголение от воды задней его части при следовании паровоза по уклону и в случае резкого торможения.

Потолочный лист кожуха топки изготовлен параллельно потолку огневой коробки, что дало возможность использовать анкерные болты одинаковой длины и ставить их перпендикулярно к листам кожуха топки и огневой коробки.

Боковые стенки кожуха и огневой коробки радиальной топки имеют наклон (снизу вверх) к центру котла, так как ширина топки больше диаметра цилиндрической части. Наклон боковых стенок выполнен таким образом, что водяной промежуток между стенкой огневой коробки и кожуха увеличивается кверху, чем облегчаются выход пара от стенок огневой коробки, а также производство промывки и контроля за стенками топки.

Наиболее интенсивное парообразование происходит со стороны задней решетки, поэтому уширение пространства между смычным или ухватным листом и подрешеточной частью сделана наибольшим. Наклон вперед лобового листа кожуха топки вместе с задней стенкой огневой коробки выполнен по следующим соображениям: для смещения центра тяжести котла вперед, для лучшей обтекаемости стенок огневой коробки горячими газами и улучшения циркуляции воды.

Во избежание прогиба листы огневой коробки и кожуха топки соединены между собой по всей площади специальными стальными прутками — анкерными болтами и связями.

В нижней части кожух топки с огневой коробкой соединен с помощью стальной литой рамы, называемой топочной.

 

Тип и форма топок зависят от мощности паровоза, размера колосниковой решетки и места их размещения.

Рассмотрим три основных типа топок котлов паровозов. Топки с радиальным кожухом и плоским потолком огневой коробки имели узкую нижнюю часть для размещения ее между боковыми листами рамы паровоза. У топок этого типа маленький размер колосниковой решетки, малый объем парового пространства и площадь уровня воды (зеркала испарения) над потолком огневой коробки.

Топки с плоским потолком кожуха и огневой коробки (см. рис. 4) имеют более широкую нижнюю часть и больший объем парового пространства над огневой коробкой. Размещают их над рамой паровоза.

Основным недостатком топок этого типа является более сложное и тяжелое крепление плоского потолка кожуха топки.Рис. 5. Радиальная топка: 1 - боковой лист кожуха топки; 2 — потолок кожуха топки; 3 — потолок огневой коробки; 4 — тяжи укрепления лобового листа; 5 — потолочные связи; в — циркуляционные трубы; 7 — лобовой лист кожуха топки; 8 — боковые связи; 9 — топочная рама; 10 — задний лист огневой коробки; 11 — колосниковая решетка; 12 — боковой лист огневой коробки; 13 — свод; 14 — ухватный лист кожуха; 15 — трубная решетка

 Радиальные топки (рис. 5) применены на паровозах Л, Е^а,м. Потолок кожуха топки имеет радиус, равный радиусу цилиндрической части котла. Потолок огневой коробки у этих топок имеет свод, описанный радиусом от 3000 до 3500 мм. Эти топки являются более легкими и в то же время более прочными и эластичными, чем топки с плоским потолком кожуха топки и огневой коробки. У радиальных топок анкерные болты, соединяющие потолок огневой коробки с кожухом, располагают веерообразно, перпендикулярно потолку, поперечные тяги кожуха не ставят.

Листы огневой коробки паровозных котлов изготовлялись из стали, листы кожуха топки и цилиндрической части котла — из котельной стали.

Огневая коробка изготовлялась сварной из листов толщиной 10 мм, задняя (трубная) решетка — толщиной 14—15 мм.

Рис. 6. Сварные швы огневой коробки и кожуха топки: а-ручная сварка огневой коробки; б — автоматическая сварка огневой коробки

 

 Листы кожуха топки имеют следующую толщину: потолочный — 14—18 мм, боковых стенок—13—14 мм, лобовой — 13—15 мм, ухватный или смычной 18—22 мм. Кожух топки также сварной.' Разделка листов топки под сварку показана на рис. 6.

Заклепочные швы в сварных топках имеются только в местах соединения кожуха топки с цилиндрической частью котла и по топочной раме.

Рис. 7. Топочная рама

Огневая коробка с кожухом топки соединена с помощью: топочной рамы, топочных связей, анкерных болтов, сварки вокруг шуровочного отверстия.

Топочная рама обеспечивает основное жесткое соединение огневой коробки с кожухом топки в нижней части и является фундаментом топки, которым она опирается на раму паровоза.

Топочная рама (рис. 7) представляет собой брус, замкнутый в виде прямоугольника, отлитого из стали 20Л1 или 25Л1 с последующей обработкой на стайке. Уширение бруса топочной рамы по бокам делается с целью увеличения ее жесткости в плане и размеров водяного пространства между стенками огневой коробки и кожуха топки для лучшего парообразования и циркуляции воды, а также для облегчения промывки котла.

 

 

 

 

Рис. 8. Расположение заклепок по углам топочной рамы: 1 — стенка огневой коробки; 2 — заклепка; 3 — брус топочной рамы; 4 — стенка кожуха топки

 

На паровозах Л и Е^а,мсоединение огневой коробки и кожуха топки с топочной рамой выполнено однорядным заклепочным швом с расположением заклепок по углам топочной рамы радиально (рис. 8).

Головки заклепок со стороны огневой коробки выполнены полупотайными для предохранения их от обгорания, а со стороны кожуха топки — полукруглыми. Для достижения необходимой плотности соединения стенок огневой коробки и кожуха топки с топочной рамой их листы с обеих сторон по всему периметру приварены к топочной раме.

 

 

 

 

Топочная связь представляет собой металлический стержень диаметром 19—22 мм (рис. 9), изготовленный из стали МСт2 и МСтЗ. С торцов связи просверлены контрольные отверстия диаметрам 5—8 мм на глубину 40—50 мм. В случае обрыва связи струя воды и пара выходит из контрольного отверстия и сигнализирует об ее обрыве. Обрыв связей является результатом неравномерного нагрева стенок огневой коробки и кожуха топки. При неравномерном тепловом расширении стенок огневой коробки и кожуха топки происходит перекос связей, а затем и обрыв. В большинстве случаев обрыв наблюдается со стороны огневой коробки, стенки которой тоньше и эластичнее стенок кожуха топки.Рис. 9. Жесткая топочная связь: 1 - стенка огневой коробки; 2 — топочная связь; 3 - стенка кожуха топки

В зоне наибольших смещений стенок огневой коробки относительно кожуха, в наиболее удаленных местах от топочной рамы ближе к загибам стенок огневой коробки и в подрешеточной части ставят подвижные связи. Подвижная связь представляет собой стержень такого же диаметра, что и жесткая связь. Со стороны кожуха топки она имеет шаровую головку, наличие которой делает связь подвижной. При перемещении листов топки от температурных изменений шаровая головка несколько поворачивается в сферической опоре втулки 1 (рис. 10). Втулку, являющуюся опорой шаровой головки 5 связи, приваривают к стенке 2 кожуха топки. После постановки подвижной связи втулку закрывают крышкой 6 на резьбе. Плотность посадки пробки достигается прижатием конусного конца ее к внутренней острой грани втулки. Другой конец подвижной связи, имеющий контрольное отверстие, приваривают.

Анкерные болты служат для укрепления потолка огневой коробки и кожуха топки. Они бывают двух типов: жесткие и подвижные. В отличие от боковых связей они имеют большие длину и диаметр (22—24 мм).

 

Рис. 10. Подвижная связь: 1 — втулка; 2 — стенка кожуха топки; 3 — стержень; 4 — стенка огневой коробки; 5 — шаровая головка; 6— крышка; 7 — медная прокладка

Анкерные болты ставят перпендикулярно потолку огневой коробки (см. рис. 5). Для предотвращения обрыва анкерных болтов, косо установленных в потолочном листе кожуха топки, их ставят «а приварных втулках. Подвижные анкерные болты установлены в наиболее опасных местах в отношении излома жесткого анкерного болта: в передних рядах около трубной решетки и в задних рядах около лобового листа. В радиальных топках их располагают по бокам на загибах потолка огневой коробки и кожуха топки.

 

Рис. 11. Лапчатая связь: 1 — огневая решетка; 2 — связь; 3 — лапаВерхняя часть задней (трубной) решетки укрепляется жаровыми и дымогарными трубами. Нижняя часть же решетки, или подрешеточная часть, укреплена связями специального типа, так называемыми лапчатыми (рис. 11).

Лапчатая связь представляет собой жесткую связь, которая •одним концом вваривается в трубную решетку, а другим ввертывается в специальную лапу, прикрепленную к барабану цилиндрической части котла с помощью заклепок. Связь имеет контрольное отверстие, которое приходит почти по всей ее длине.

 

Тяжи применены на паровозах, имеющих топки с плоским потолком. На них ставят дополнительное крепление в виде продольных, поперечных и наклонных тяжей. Тяжи изготовлены из стали СтЗ и укреплены в листах кожуха топки электросваркой.

На паровозах с радиальными топками крепление верхней части лобового листа кожуха топки производится продольно-наклонными тяжами (рис. 12).

Рис. 12. Продольно-наклонные тяжи: 1 — лобовой лист кожуха топки; 2 — потолок кожуха топки; 3— тяжСоединение листов топки вокруг шуровочного отверстия сварным швом

К лобовому листу приклепывают тавровые кронштейны и с помощью валиков к ним прикрепляют тяжи, имеющие проушины. Другой конец тяжа, изготовленный в виде лапы, приклепывают к потолку кожуха топки.

Для укрепления и соединения потолка с верхней частью лобового листа кожуха топки применены контрфорсы.

Контрфорс (см. рис. 4) представляет собой горизонтальную полку жесткости, которую угольниками или отогнутыми фланцами приклепывают к лобовому листу и боковым стенкам кожуха топки. Кроме контрфорса, устанавливают раскосные листы (косынки), соединяющие лобовой лист с потолком кожуха топки.

 

 

Шуровочное отверстие является местом непосредственного соединения огневой коробки с кожухом топки.

 Рис. 13. Соединение листов топки вокруг шуро-вочного отверстия сварным швом

Щуровочное отверстие образовано путем сварки выштамповок задней стенки топки и лобового листа кожуха (рис. 13). Для предохранения стенки огневой коробки от повреждения в шуровочное отверстие вставлен и приварен защитный козырек.

На паровозах, оборудованных механическим углеподатчиком, шуровочное отверстие выполнено прямоугольной формы размерами 650x640 мм.

Для циркуляции воды в паровозном котле и усиления парообразования в топке паровоза устанавливают циркуляционные (кипятильные) трубы, проходящие вдоль топки от нижней части огневой решетки до верхней части задней стенки топки. Циркуляционные трубы укрепляют в стенках топки с помощью их развальцовки, отбуртовки со стороны воды и обварки со стороны огня. При высокой температуре в топочном пространстве происходит сильный нагрев труб, и в них начинается усиленное парообразование, что создает непрерывное течение воды по трубам (циркуляцию). Помимо улучшения циркуляции воды в котле, трубы служат опорой топочного свода.

На ряде паровозов последней постройки, в порядке экспернмента, были применены поперечные циркуляторы, которые имели Т-образную форму. Их устанавливали поперек топки и соединяли боковые водяные промежутки топки с пространством над потолком огневой коробки. Эти циркуляторы обеспечивали хорошую циркуляцию, а также предохраняли боковые стенки топки от перегрева и потолок огневой коробки от оголения при пониженном уровне воды в котле во время движения паровоза под уклон или при резком торможении.

Поперечные циркуляторы служили опорой топочному своду и были сложны в изготовлении. При эксплуатации возникали трещины в сварных швах, и они обгорали. При заводских ремонтах паровозов циркуляторы были заменены продольными циркуляционными трубами.