Author Topic: Паровозы  (Read 238 times)

0 Members and 1 Guest are viewing this topic.

Offline Toman

  • Posts: 10280
  • Gender: Male
on: February 9, 2019, 04:12
...Вопреки распространённому мнению (и соответствующим дразнилкам, шаржам и т.п.), до совсем недавнего времени я мало интересовался интересовался паровозами и уж во всяком случае не увлекался ими ни в коей мере.


Однако ж с течением времени некое любопытство/интерес к истории берёт своё, ну и появились кое-какие возможности/случаи увидеть рабочие паровозы как вживую, так и на видео из инета, как в нашей стране, так и за рубежом. И, в общем, какой-то эстетикой паровозов потихоньку тоже начал проникаться.

Толчком к очередному сеансу чтения соответствующих основополагающих для современного любителя книг по истории паровозов отечественных ж.д. стало упоминание в одной из тем на ЛФ разных значений слова "микадо", Однако ж полное отсутствие в Российской Империи/СССР "своих местных" паровозов типа 1-4-1 требует объяснения каким-то, очевидно, систематическим фактором, который должен был неизменно подавлять всякую попытку спроектировать и построить такие паровозы. Но об этом - пожалуй, позже, поскольку тема эта непростая.

А пока - один забавный факт, который, наверное, не очень известен большинству. При том, что история более-менее массового рутинного паровозостроения насчитывает порядка 120-130 лет, основная часть этого времени приходится на периоды относительной стабильности устоявшихся конструкций, и лишь меньшая - на революционные периоды радикальных изменений. Так вот, практически посередине всей этой 120-130-летней истории, а именно, в области приблизительно 1890-1905, находится очень короткий, но чрезвычайно насыщенный событиями революционный период, успевший за эти приблизительно 15 лет не просто резко поменять и внешний облик, и конструкцию паровоза - но сделать это более одного раза.

 По плотности событий, изменений общепринятой конструкции этот период, кажется, едва ли не превосходил период первоначального становления конструкции и облика паровоза в 1810-х-40-х (т.е. в период, предшествовавший началу массового строительства ж.д. и затронувший только самое его начало) - однако, вероятно, для обывателя это не было столь заметно даже тогда, и уж тем более вряд ли осознаётся современным обывателем, не интересовавшимся данной темой. Ну, как бы, паровозы и паровозы, ну, новые, только что с завода, и что, как бы?

А вот что: за эти всего-то немногим более 15 лет инженеры успели придумать паровозы с машиной компаунд (двойного расширения пара) в различных вариантах исполнения, "поиграться" с этими чрезвычайно модными в тот период конструкциями в течение всего-то немногим более 10 лет (успев за это время построить целые весьма массовые и знаменитые серии паровозов), после чего столь же быстро отказаться от машин компаунд обратно в пользу простых машин, но на этот раз уже работающих на перегретом паре (а не насыщенном, как оно было до того). В то же самое время (и отчасти в связи с этим) происходил переход от плоских золотников к цилиндрическим. И тогда же - всеобщий (по крайней мере в области поездных паровозов) переход от кулисных механизмов парораспределения Стефенсона, Гуча или Аллана к механизму Вальсхарта - или прямо сразу, или с промежуточным периодом проб "тупиковой ветви" в виде механизма Джоя. Тогда же происходили и значительные изменения компоновки паровозов и, в частности, расположения котла - но вот этот момент уже сильно различался в разных странах в связи с различием в габаритах ж.д.

Если приблизительно до 1890 года паровоз даже, скажем, 1850-х-60-х годов постройки мог восприниматься как пусть несколько старомодный и маломощный, но всё же вполне нормальный паровоз, в принципе мало отличающийся от более новых, то уже к рубежу веков, около 1900, паровоз даже 1880-х годов виделся как безнадёжно морально устаревший. А уже году этак в 1912 морально устаревшим был и какой-нибудь паровоз с машиной компаунд постройки около 1900 года - хоть и не настолько безнадёжно (т.к. и была возможность переделки паровозов по новой моде - на перегретый пар - и разница в экономичности получалась всё же не всегда настолько разительной, так что такие переделки, как правило, не были тотальными, и отставление от работы этой категории паровозов не было столь резким, как на предыдущем этапе). После же этого революционного периода всё опять резко "успокоилось" - и уже паровоз где-нибудь этак 1912-1915 года постройки с простой машиной на перегретом паре, в восприятии вплоть до 1960-х и даже 1980-х - это опять просто старый паровоз, да, сравнительно маломощный, но в принципе "вполне обычный" и пригодный для работы себе по силам.

Подавляющее большинство сохранившихся в рабочем состоянии паровозов (впрочем, и не только в рабочем состоянии, но и вообще) во всём мире - это паровозы, построенные после данного революционного периода - т.е. паровозы с простой машиной на перегретом паре, цилиндрическими золотниками и парораспределением Вальсхарта. В СССР с сохранением старых паровозов дела были гораздо хуже, чем во многих других странах, так что до нашего времени дошёл в рабочем состоянии (точнее, в пригодном для реставрации до рабочего состояния) лишь один единственный паровоз компаунд из самого этого революционного периода - пресловутая "овечка", плюс более-менее случайно сохранились в виде памятников несколько штук ещё (но крайне мало, совершенно непропорционально их былому распространению). Из российских паровозов же из эпохи до увлечения машинами компаунд не сохранилось ни в каком виде, насколько мне известно, вообще ни одного. В развитых зарубежных странах ситуация с сохранением старых паровозов несколько получше - но и там сохранившиеся паровозы старого образца - всё-таки большая редкость. Хотя бы сколько-то есть - и на том спасибо, как говорится.
Во́зле до́ма хо́лм с куля́ми - вы́йду на́ холм, ку́ль поставлю.
В славном городе Miami тётки мерялись ногтями, тик иң озын завсегда у Фиделя борода!

Reply #1 on: February 9, 2019, 04:47
Вот, например. Танк-паровоз с двухцилиндровой машиной компаунд и парораспределительным механизмом Вальсхарта (в данном случае - в чисто рычажном варианте, без кулисы). В общем, приблизительно аналог нашей "овечки" с точки зрения принадлежности к поколению. Можно заметить, что двухцилиндровый паровоз компаунд на ходу в "крейсерском режиме" делает пых-пых в трубу ровно вдвое реже, чем паровоз с простой машиной, поскольку выхлоп идёт только из одного цилиндра - низкого давления.
<a href="https://www.youtube.com/watch?v=X-6pWWr4FJc" target="_blank">https://www.youtube.com/watch?v=X-6pWWr4FJc</a>
https://www.youtube.com/watch?v=X-6pWWr4FJc
Во́зле до́ма хо́лм с куля́ми - вы́йду на́ холм, ку́ль поставлю.
В славном городе Miami тётки мерялись ногтями, тик иң озын завсегда у Фиделя борода!

Reply #2 on: February 13, 2019, 03:33
И вот тут характерно ещё одно огромное отличие паровозов от пароходов. Если на пароходах (и, тем более, в стационарных паровых машинах) машины двойного, а затем и тройного расширения (а в редких случаях бывали даже и четверного) приобрели огромную популярность намного раньше, и так и остались доминирующими до самого конца эпохи пароходов как таковых, то на паровозах машины двойного расширения были популярны лишь в течение этих плюс-минус 15 лет - приблизительно 1890-1905 гг. - хотя именно в течение этого периода доминировали практически тотально (за исключением маневровых паровозов), впоследствии же применялись на на паровозах новой постройки лишь крайне редко.

...Применение на паровозах именно двухцилиндровой машины компаунд было весьма спорным и неоднозначным решением, которое просто не имело никаких долгосрочных перспектив развития. Из общих соображений понятно, что группа цилиндров (два при двойном расширении, три при тройном) по сути заменяет один цилиндр простой машины, просто заменяя сравнительно высокократное расширение сразу в одном цилиндре на последовательное в двух или трёх. А значит, при прочих равных объём цилиндра низкого давления, где пар окончательно расширяется до давления выхлопа, должен быть примерно равен объёму единственного цилиндра простой машины, который заменяет эта пара/тройка: ведь такой же массы порция пара, приходящаяся на полоборота машины, в итоге в расширенном виде займёт такой же объём. В реальности объём этого цилиндра низкого давления нужен был зачастую даже несколько больше, поскольку машина компаунд позволяла несколько более высокую кратность расширения по сравнению с простой машиной на насыщенном паре - ради этого их, собственно, и придумали. Цилиндр же высокого давления - примерно в 2..2,5 раза меньшего объёма, иногда даже в 3 раза.

Следовательно, если каждый из двух цилиндров простой машины обычного паровоза заменить на пару цилиндров высокого и низкого давления, т.е. сделать четырёхцилиндровый паровоз компаунд, то каждый из цилиндров низкого давления нужно будет сделать примерно равным или лишь немножко больше диаметром, чем были цилиндры простой машины, а цилиндры высокого давления - в 1,4..1,7 раза меньшего диаметра. Значит, если цилиндры простой машины на паровозе помещались, то и у четырёхцилиндрового компаунда с котлом той же мощности и той же длиной хода поршней скорее всего поместятся без особого труда.

Двухцилиндровая же машина компаунд заменяет сразу два цилиндра простой машины одной парой стоящих на их месте цилиндров высокого и низкого давления. Из чего понятно, что цилиндр низкого давления должен иметь объём примерно в 2 раза больше прежнего, тогда как цилиндр высокого давления остаётся приблизительно прежнего объёма или даже становится совсем чуть-чуть меньше. Если второй тем самым не вызывает никаких проблем с размещением, то первый - исходя из диаметров цилиндров простых машин, достигших в тот непосредственно предшествовавший моде на компаунды период (у ширококолейных товарных паровозов, в первую очередь) величин около 480..520 мм - должен был достигнуть диаметра 700..850 мм. При том, что по габаритным ограничениям разместить цилиндр диаметром более 800 мм практически нет возможности. Поэтому двухцилиндровые машины компаунд, имели диаметры цилиндров порядка 480..500 и 700..730 мм (т.е. зачастую уже вынужденное, из-за габарита, не самое выгодное отношение объёмов всего лишь около 2,0..2,1, в лучшем случае 2,2..2,25), с перспективой роста всего лишь до 520..550 мм и 750..800 мм соответственно. Каковые перспективы в русском паровозостроении и были практически исчерпаны на сериях паровозов 0-4-0 серий Ы и ЫЧ, второй из которых (сочетавший уже машину компаунд с перегревом пара) вошёл в историю как самый мощный из российских паровозов с машиной компаунд и, возможно, один из самых экономичных среди них же (но это уже заслуга перегретого пара, очевидно).

Кроме увеличения диаметра, конечно, имелась возможность повышения мощности за счёт увеличения хода поршня (что, однако, требует пропорционального же увеличения диаметра колёс), что и было сделано в истории русского паровозостроения, например, на товарных паровозах 1-4-0 серии Щ - с ходом поршней 700 мм и диаметром колёс 1300 мм, против соотв. 650 мм и 1200 (и даже 1150 в некоторых модификациях) мм у паровозов 0-4-0 серий О и Ы разных индексов. Конечно, можно было бы сочетать диаметр цилиндров от Ы с ходом поршней от Щ, и даже дальше увеличивать ход до 750 и даже 800 мм, с соответствующим увеличением движущих колёс до 1400 и 1500 мм соотв. - но всё равно это слишком мало по сравнению с возможностью, вернувшись к простой машине, увеличить диаметр обоих цилиндров до тех же, например, предельно возможных 800 мм (уже увеличив тем самым объём и мощность в 2,3..2,4 раза), которую можно так же продолжить/дополнить увеличением хода поршней и диаметра колёс (что, конечно, и было сделано в истории паровозостроения после того, как появились достаточно мощные и практичные пароперегреватели).

Помимо габаритных ограничений на диаметр цилиндра низкого давления, двухцилиндровые паровозы компаунд имели некоторые сложности с уравновешиванием сравнительно тяжёлых для паровозов такого размера и веса поршней этих больших цилиндров, а также проблему неравномерности работы цилиндров высокого и низкого давления, которая не только снижала КПД при работе на отсечках, отличных от некоей расчётной наивыгоднейшей, но и означала неравномерный износ движущего механизма, более выраженную неравномерность силы тяги (у паровоза с двухцилиндровой простой машиной сила тяги испытвает колебания с периодом 1/4 оборота колёс, тогда как у двухцилиндрового компаунда из-за неравенства работы цилиндров кроме этого возникает ещё составляющая колебаний с периодом 1/2 оборота колёс).

Также выхлоп пара лишь двумя порциями за оборот колёс, вместо четырёх, делает более неравномерной тягу воздуха в котле, чем больше способствует разрушению слоя топлива на колосниках, уносу горящих частиц и т.п.

Поскольку пар из котла подаётся только к цилиндру высокого давления, а в цилиндр низкого давления попадает только отработав там, через ресивер, двухцилиндровый паровоз компаунд не мог бы сдвинуться с места после остановки около одной из мёртвых точек цилиндра высокого давления. Для решения этой проблемы необходимо было устанавливать дополнительные краны или клапаны, обеспечивающие подачу пара из котла прямо к цилиндру низкого давления во время трогания или при другой необходимости. Эти устройства назывались "приборы отправления" (или, сокращённо, просто "приборы") и бывали автоматически действующими или включаемыми и выключаемыми вручную. Некоторые из типов приборов отправления позволяли увеличивать тягу паровоза до максимально возможной (например, для взятия тяжёлого подъёма) переключением на работу в режиме простой машины, что, однако, создавало и особенно сильную неравномерность силы тяги (а значит, могло легче спровоцировать боксование), а также резко перегружало движущий механизм со стороны большого цилиндра приблизительно удвоенным от нормального усилием - если только речь не идёт о ситуации взятия подъёма с очень сильно просевшим давлением в котле, когда такая фича - более-менее адекватный "последний шанс" на взятие подъёма без остановки хотя бы самой черепашьей скоростью, буквально пешеходной (быстрее, конечно, в такой ситуации нельзя, ибо практически тройное потребление пара окончательно посадит давление и приведёт в лучшем случае к остановке очень надолго, а в худшем - вообще к вынужденному гашению топки из-за невозможности подать воду).

В общем, пожалуй, единственное очевидное преимущество двухцилиндровых паровозов компаунд перед четырёхцилиндровыми - это то, что два - меньше, чем четыре, и т.о. паровоз как бы проще, ремонт как бы менее трудоёмкий и всё такое. С современных позиций это, априори, выглядит так себе аргументом - но именно в тот период, видимо, было вполне серьёзно, в результате чего  большинство построенных паровозов компаунд были (по крайней мере, поначалу, на пике моды) именно двухцилиндровыми - но и недостатки именно двухцилиндровых компаундов так резко обрушили моду на компаунд-машины вообще (в рамках паровозостроения, конечно: на пароходах-то они никуда не делись).
Во́зле до́ма хо́лм с куля́ми - вы́йду на́ холм, ку́ль поставлю.
В славном городе Miami тётки мерялись ногтями, тик иң озын завсегда у Фиделя борода!

Offline BormoGlott

  • Posts: 8745
  • Gender: Male
Reply #3 on: February 13, 2019, 18:11
И вот тут характерно ещё одно огромное отличие паровозов от пароходов. Если на пароходах (и, тем более, в стационарных паровых машинах) машины двойного, а затем и тройного расширения (а в редких случаях бывали даже и четверного) приобрели огромную популярность намного раньше, и так и остались доминирующими до самого конца эпохи пароходов как таковых, то на паровозах машины двойного расширения были популярны лишь в течение этих плюс-минус 15 лет - приблизительно 1890-1905 гг. - хотя именно в течение этого периода доминировали практически тотально (за исключением маневровых паровозов), впоследствии же применялись на на паровозах новой постройки лишь крайне редко.
1933 г. Уильям Беслер построил пожалуй единственный работоспособный самолёт с паровым двигателем. И хотя он показал в эксплуатации неплохие результаты, дальнейшее развитие паровик в авиации не получил. В отличие от ДВС мощность парового двигателя с изменением высоты меняется незначительно, что весьма ценное качество для авиационного двигателя. И хотя тридцатые годы позапрошлого столетия — время расцвета дирижаблестроения, паровой двигатель не стали применять и в дирижаблях, несмотря на то что их потолок был выше чем у тогдашних самолётов.
напостил BormoGlott

Offline Toman

  • Posts: 10280
  • Gender: Male
Reply #4 on: February 13, 2019, 23:50
В отличие от ДВС мощность парового двигателя с изменением высоты меняется незначительно, что весьма ценное качество для авиационного двигателя.
У самой паровой машины-то (конечно, тут речь о конденсационной) он бы вообще не менялся. Но вот с мощностью как котла, так и конденсатора - увы, чудес не бывает, они падают практически так же, как у ДВС. Ну, с конденсатором чуть получше, поскольку на высоте холоднее, так что отчасти компенсируется увеличением разницы температур. А вот с котлом - чуть похуже, соотвественно, они холодный воздух не любят (в отличие, кстати, от тех же ДВС). У тех же паровозов на высокогорных дорогах проблемы с производительностью котла очень даже ощущались. Так что для сохранения мощности котла на высоте нужно увеличивать площади теплообмена, что стоит вполне заметного веса.
Во́зле до́ма хо́лм с куля́ми - вы́йду на́ холм, ку́ль поставлю.
В славном городе Miami тётки мерялись ногтями, тик иң озын завсегда у Фиделя борода!

Offline BormoGlott

  • Posts: 8745
  • Gender: Male
Reply #5 on: February 14, 2019, 16:48
Но вот с мощностью как котла, так и конденсатора - увы, чудес не бывает, они падают практически так же, как у ДВС.
С высотой температура кипения уменьшается же, т.е. при сжигании единицы топлива, количество образующегося пара увеличится. Почему же тогда мощность котла, не тепловая, а, так сказать, барическая, т.е. предающаяся в механическую мощность движения поршня, должна, по-вашему, уменьшиться?
напостил BormoGlott

Offline Toman

  • Posts: 10280
  • Gender: Male
Reply #6 on: February 15, 2019, 06:25
С высотой температура кипения уменьшается же, т.е. при сжигании единицы топлива, количество образующегося пара увеличится. Почему же тогда мощность котла, не тепловая, а, так сказать, барическая, т.е. предающаяся в механическую мощность движения поршня, должна, по-вашему, уменьшиться?
О, да тут же, внезапно, нужен ликбез прям от самых основ, с самого нуля. Я аж прямо растерялся, не знаю, с чего начать комментировать или начинать оный ликбез. Ну ладно, попробую...

С высотой температура кипения уменьшается же
Температура кипения уменьшается с уменьшением давления. Атмосферное давление уменьшается с высотой. Следовательно, в открытом сосуде типа кастрюли или чайника температура кипения, да, уменьшается с высотой. Но в котле-то давление не атмосферное, а котловое. Как правило, выше атмосферного. У силовых установок, работающих с выхлопом отработанного пара в атмосферу - как у большинства паровозов - оно обязано быть строго выше атмосферного, т.к. иначе от пара невозможно было бы получить механическую работу. При работе с выхлопом в конденсатор возможны варианты, поскольку в конденсаторе может быть разная температура и, следовательно, разное давление - может быть и выше атмосферного, и ниже. Но как правило (за исключением ряда самых ранних паровых машин), хотя бы ради компактности машин, а далее, и экономичности, котловое давление используется в любом случае выше атмосферного - от единиц атмосфер до первых двух сотен.

Чем жёстче требования по весу и компактности, тем, при прочих равных, бо́льшие давления приходится использовать. Самые низкие котловые давления (обычно в сочетании с давлениями в разы ниже атмосферного в мощных развитых конденсаторах, что обеспечивало возможность достаточно сильного расширения пара, несмотря на невысокое котловое давление) были у стационарных установок и пароходов, имеющих и возможность разместить громоздкие и тяжёлые машины для таких низких давлений, и мощные конденсаторы, и, самое главное, имевшие обычно доступ к холодной (забортной или речной) воде в любых достаточных количествах для отвода тепла из конденсатора. Высокие котловые давления (порядка 50-150 атм) неизбежны в машинах типа вышеупомянутой - для легковых автомобилей, самолётов и т.п. техники, т.к. это единственный вариант сделать машину компактной и лёгкой. У ж.д. локомотивов весовые и габаритные ограничения для силовых установок промежуточны между судовыми (имеются в виду крупные морские суда, конечно) и автомобильными, так что давление пара у классических паровозов находилось в основном в рамках 5-20 атм. Поскольку у наземного транспорта нет забортной воды для охлаждения конденсатора, а охлаждение воздухом намного более сложно, энергозатратно и требует больших площадей теплообмена (а значит, и габаритов конденсатора), зато, кроме пустынных и полупустынных районов, как правило есть возможность где-то заправляться пресной водой, для паровозов исторически сложилась работа на выхлоп в атмосферу (что закрепилось в конструкции использованием отработанного пара для создания тяги в котле без лишних движущихся частей) и соотв. одноразовое использование воды из водоёмов, лишь с некоторыми химическими добавками. Что, однако, в значительной мере выходило боком, поскольку именно из-за этого огромнейшая доля трудозатрат при обслуживании паровозов приходилась на промывки котлов, а накипь очень сильно снижала эффективность и КПД котлов. При использовании дистиллированной воды в закрытом конденсационном цикле этих проблем бы не было, да и стоимость постройки и содержания инфраструктуры ж.д. была бы ощутимо ниже, т.к. не нужно было бы делать мощные круглогодичные водопроводы, водокачки, водонапорные башни, колонки чуть ли не на каждой второй станции.

Для самолёта понятно, что ни дозаправка "одноразовой" водой, ни таскание с собой огромных запасов её вообще не могут рассматриваться, да и накипь нетерпима, так что тут без вариантов должна быть только работа с дистиллированной водой на конденсатор. То же самое и у пароходов (скажем, в отличие от паровоза, который несколько часов провёл поезд и отцепился, и обычно каждый день оказывался около своего депо, так что его можно было в любой момент подменить другим и устроить промывку котла, пароход-то осуществляет длительные переходы по морям или рекам).

Таким образом, для закрытого конденсационного цикла высота и атмосферное давление снаружи сами по себе вообще не касаются давлений и температур в паро-водяном контуре, и эти давление принимаются при проектировании, и устанавливаются в рабочем режиме принципиально независимо от наружного давления. Хотя понятно, что на практике могут быть какие-то зависимости - напр. конструкционные ограничения по положительному давлению или по вакууму в конденсаторе, ну, само котловое давление по прочности ограничивается как избыточное над атмосферным, так что с высотой, да, это ограничение (если всё время стремиться работать на предельном давлении - что для конденсационного цикла нежелательно из-за риска срабатывания предохранительных клапанов и соотв. потери воды) будет в абсолютных значениях плавать (но всего лишь на доли атмосферы, что уже на фоне "обычных паровозных" 12-14 атм не так много, а на фоне сотни атмосфер и вовсе ничто).

У паровоза с выхлопом в атмосферу, помимо вот этого снижения на какие-то доли атмосферы предельного котлового давления в абсолютном измерении, несколько снизится противодавление на выхлопе и несколько увеличится скорость струи выхлопа (что отчасти, конечно, ускорит тягу в котле, частично компенсируя разреженность воздуха - но лишь отчасти, ведь чем больше скорость этой струи, тем ниже КПД в целом эжектора конус-труба).

В общем, в любом случае, можно считать, что котловое давление практически не зависит от атмосферного, а значит, неизменной остаётся и температура кипения воды в нём. Температура продуктов сгорания также почти не меняется с атмосферным давлением (хотя вот от температуры воздуха напрямую зависит), но поскольку плотность меньше, нужно с во столько же большей скоростью протягивать газы через тот же котёл. А поскольку сопротивление потоку пропорционально квадрату скорости и первой степени плотности, это означает увеличение энергозатрат обратно пропорционально квадрату этой самой плотности. Так что для работы в разреженном воздухе оптимальная конфигурация котла должна будет несколько отличаться от "наземного" ориентацией на протягивание большого объёма газов со сравнительно небольшой скоростью. А это уже, как правило, некоторый проигрыш по габаритам и весу, хотя бы за счёт трубок, которые разводят воду/пар по этому увеличившемуся рабочему объёму, и стенок, поддерживающих конструкций и т.д. Вентиляторы вообще в чистом виде увеличиваются в любом случае. В реальности ситуация обычно ещё хуже из-за неравномерности температур и кое-каких временны́х характеристик горения, из-за чего просто пропорциональное изменение скорости потока газов с изменением высоты оказывается не совсем эквивалентной заменой с точки зрения рисков что-нибудь прожечь в котле или забить нагаром и т.п. - так что в любом случае придётся закладывать некоторые запасы на то, чтобы котёл не горел и не забивался ни на каких высотах.

Если же вообще ничего не менять, в т.ч. оставить прежний вентилятор, способный гнать газы лишь с прежней скоростью - то, конечно, тепловая мощность упадёт вместе с плотностью воздуха, хотя, вероятно, и несколько подрастёт КПД котла (передача тепла будет происходить полнее - но это как бы и естественно при снижении мощности).
Во́зле до́ма хо́лм с куля́ми - вы́йду на́ холм, ку́ль поставлю.
В славном городе Miami тётки мерялись ногтями, тик иң озын завсегда у Фиделя борода!

Offline BormoGlott

  • Posts: 8745
  • Gender: Male
Reply #7 on: February 15, 2019, 06:55
Сначала вы утверждаете, что
с мощностью как котла, так и конденсатора - увы, чудес не бывает, они падают практически так же, как у ДВС.
Потом делаете очень умное лицо
О, да тут же, внезапно, нужен ликбез прям от самых основ, с самого нуля.
И говорите совсем противоположное:
для закрытого конденсационного цикла высота и атмосферное давление снаружи сами по себе вообще не касаются давлений и температур в паро-водяном контуре, и эти давление принимаются при проектировании, и устанавливаются в рабочем режиме принципиально независимо от наружного давления.


Вы меня совсем запутали. Так падает мощность паровой машины с высотой в такой же степени что и у ДВС, или нет?
но поскольку плотность меньше, нужно с во столько же большей скоростью протягивать газы через тот же котёл. А поскольку сопротивление потоку пропорционально квадрату скорости и первой степени плотности, это означает увеличение энергозатрат обратно пропорционально квадрату этой самой плотности.
Но в то же время, так как температура газов меньше, то и прокачивать нужно меньший объем, следовательно увеличение энергозатрат будет несколько меньше.
И для уменьшения влияния низкой температуры воздуха, поступающего в топку котла, можно предусмотреть его забор после конденсатора, где он будет подогреваться.
напостил BormoGlott

Offline Toman

  • Posts: 10280
  • Gender: Male
Reply #8 on: February 15, 2019, 15:57
Сначала вы утверждаете, что
с мощностью как котла, так и конденсатора - увы, чудес не бывает, они падают практически так же, как у ДВС.
И говорите совсем противоположное:
для закрытого конденсационного цикла высота и атмосферное давление снаружи сами по себе вообще не касаются давлений и температур в паро-водяном контуре, и эти давление принимаются при проектировании, и устанавливаются в рабочем режиме принципиально независимо от наружного давления.
Где же тут противоположное? Котёл и конденсатор (по крайней мере его часть, не расположенная просто в обшивке самолёта) требуют протягивать через себя воздух. Мощность того и другого ограничена именно количественным потоком воздуха через них (при условии, что сама площадь теплообмена достаточна). Поскольку конструкция конкретного уже построенного самолёта с высотой не меняется, мы имеем там и там некие вентиляторы такого-то размера, вращающиеся с такими-то предельными оборотами, и тем самым способные дать такой-то объёмный поток воздуха, не зависящий от его плотности. Так что доступная этим агрегатам тепловая мощность падает пропорционально плотности воздуха. У части конденсатора, которая в обшивке, или вообще всякой пассивно обдуваемой набегающим воздухом, доступная мощность падает пропорционально лишь корню квадратному из плотности, поскольку истинная скорость полёта растёт пропорционально корню же из неё. А такая сравнительно слабая зависимость в пределах тропосферы в большинстве случаев (кроме зимы в приполярных областях и Якутии) может быть даже компенсирована падением температуры воздуха с высотой. Но у котла всё просто прямо пропорционально. Затраты мощности вентилятора с высотой тоже падают пропорционально плотности, но это не значит, что вентилятор можно раскрутить быстрее его предельно допустимых оборотов.

Но в то же время, так как температура газов меньше, то и прокачивать нужно меньший объем, следовательно увеличение энергозатрат будет несколько меньше.
Если бы температура газов была меньше, прокачивать, естественно, нужно было бы больший объём и больше энергозатрат. Но нет, температура газов практически не зависит от давления/плотности воздуха. Зависит, в первую очередь, только от близости соответствия стехиометрическому количества подаваемого топлива. Ну и от температуры входящего воздуха, температуры и агрегатного состояния входящего топлива - но эти влияния уже гораздо менее значительны.

И для уменьшения влияния низкой температуры воздуха, поступающего в топку котла, можно предусмотреть его забор после конденсатора, где он будет подогреваться.
Можно. А ещё после этого его можно ещё больше подогреть в теплообменнике выходящими из котла газами, температура которых в любом случае строго больше температуры кипения воды в котле. На поздних паровозах, в общем, так и делалось, и это давало кое-какие выигрыши в КПД. Но на самолёте на всякую деталь, в т.ч. и на такие теплообменники, приходится задаваться вопросом, оправдает ли экономия топлива вес этой детали.

Вы меня совсем запутали. Так падает мощность паровой машины с высотой в такой же степени что и у ДВС, или нет?
Падает мощность и соотв. паропроизводительность котла. А машина/турбина не может превышать паропризводительность котла, поэтому её мощность тоже падает пропорционально плотности воздуха.

...Вот над чем можно было бы подумать - так это над присобачиванием парового контура к газотурбинному двигателю. Может быть, с этого и можно было бы что-то поиметь. В чистом виде у газотурбинного двигателя удручающе низкий КПД - хуже, чем у приличных современных поршневых.
Во́зле до́ма хо́лм с куля́ми - вы́йду на́ холм, ку́ль поставлю.
В славном городе Miami тётки мерялись ногтями, тик иң озын завсегда у Фиделя борода!

Offline BormoGlott

  • Posts: 8745
  • Gender: Male
Reply #9 on: February 15, 2019, 16:12
Вот над чем можно было бы подумать - так это над присобачиванием парового контура к газотурбинному двигателю.
По той ссылке, которую я давал есть пару слов о турбине Хютнера, которая совмещает в себе и котёл и турбину.
напостил BormoGlott

Offline Волод

  • Вне лингвистики
  • Posts: 2766
Reply #10 on: February 15, 2019, 17:12
Шеститактный двигатель поставить на самолёт, и будут все довольны.

Offline BormoGlott

  • Posts: 8745
  • Gender: Male
Reply #11 on: February 15, 2019, 19:04
Шеститактный двигатель
Кстати, есть такой. В нём кроме обычных четырёх тактов впуск-сжатие-горение-выпуск, добавлены два такта во время которых в цилиндр впрыскивается порция воды (5 такт), которая под действием тепла сгоревшего в предыдущем такте топлива испаряется, и под давлением водяных паров поршень совершает работу (6 такт). Одновременно происходит охлаждение стенок цилиндра. Получается гибрид парового двигателя и ДВС.
напостил BormoGlott

Offline Toman

  • Posts: 10280
  • Gender: Male
Reply #12 on: February 18, 2019, 19:20
Шеститактный двигатель
Кстати, есть такой. В нём кроме обычных четырёх тактов впуск-сжатие-горение-выпуск, добавлены два такта во время которых в цилиндр впрыскивается порция воды (5 такт), которая под действием тепла сгоревшего в предыдущем такте топлива испаряется, и под давлением водяных паров поршень совершает работу (6 такт). Одновременно происходит охлаждение стенок цилиндра. Получается гибрид парового двигателя и ДВС.
Тема довольно интересная, да. Но дьявол кроется в деталях, тут нужно очень чётко понимать, в какой момент какого такта что куда и как впрыскивается. Если буквально читать то, что процитировано, то это значит вот что: у изначально 4-тактного двигателя 1-й такт - впуск воздуха (у жидкотопливных дизелей) или рабочей смеси (у бензиновых и газовых двигателей), 2-й такт - сжатие, 3-й - расширение продуктов сгорания (само сгорание - вокруг границы между ними), 4-й - выхлоп продуктов сгорания. Добавить только 2 такта к этому можно только если испарение и работа пара будет происходить прямо в 5-м такте, а 6-м будет уже выхлоп пара (вместе с остатками выхлопных газов с предыдущих ДВСных тактов). Ибо снимать работу с поршня можно только на нечётных тактах, а чётные - это либо сжатие, либо выхлоп.

Также, кстати, а может быть, даже более интересно смотрится идея добавить такие паровые такты к двухтактному дизелю. Ибо именно двухтактные дизели, не имея перерывов на относительно холодные (для всего кроме выпускных клапанов) такты выхлопа-всасывания характеризуются проблемой высокой тепловой напряжённости и соотв. особенно высокой долей тепла, уходящего через стенки (что вызывает необходимость тратить больше энергии на охлаждение двигателя) - так что м.б. тут можно было бы разбавить "паровыми" тактами. Примерно в таком порядке: (НМТ)продувка - сжатие - (ВМТ)впрыск и сгорание топлива - расширение - (НМТ)пассивный выхлоп части газов - сжатие оставшейся части газов - (ВМТ)впрыск и испарение воды - расширение парогазовой смеси - и опять продувка. В таком дизеле принципиально можно, как и в двухтактном, обойтись без клапанов, держащих давление сжатия и сгорания и высокие температуры, а иметь только гораздо более легковесный клапан перед впускными окнами, который бы предотвращал продувку перед паровыми тактами - рассчитанные всего лишь на продувочный перепад давлений и соотв. температуры уровня наддувочного воздуха. Таким образом получается тоже как бы четырёхтактный дизель, с почти тем же разбавлением горячих тактов относительно холодными, но в другом смысле и совсем другой конструкции. На малых нагрузках, когда тепла в цилиндрах мало, можно без воды работать, а также есть принципиальная возможность кратковременного форсажа за счёт временного перехода (на несколько секунд, не более) на обычную двухтактную работу, что может быть удобно для ускорения набора оборотов без "задыхания" и дымления в дизель-генераторных (в т.ч. тепловозных и дизельэлектроходных, на автомобилях с электрическими и др. автоматическими бесступенчатыми передачами), теплоходных и т.п. применениях.
Во́зле до́ма хо́лм с куля́ми - вы́йду на́ холм, ку́ль поставлю.
В славном городе Miami тётки мерялись ногтями, тик иң озын завсегда у Фиделя борода!

Offline BormoGlott

  • Posts: 8745
  • Gender: Male
Reply #13 on: February 18, 2019, 20:38
Добавить только 2 такта к этому можно только если испарение и работа пара будет происходить прямо в 5-м такте, а 6-м будет уже выхлоп пара (вместе с остатками выхлопных газов с предыдущих ДВСных тактов).
Ну, я, наверное, неправильно такты посчитал (wiki/ru) Шеститактный двигатель. Двигатель с двумя циклами рабочего хода
напостил BormoGlott

Offline Toman

  • Posts: 10280
  • Gender: Male
Reply #14 on: February 18, 2019, 21:00
...Но вопрос "гибрида паровой машины с ДВС" рассматривали в своё время и в другом смысле. В СССР в предвоенные годы разрабатывали т.н. теплопаровозы. С поршневой машиной, работающей, подобно паровозу, с частотой оборотов движущих колёс, на малой скорости - на паре из обычного паровозного котла, а на большой - как дизель. Машины там были применены с расходящимися поршнями, и дизельный цикл осуществлялся только между двух поршней, тогда как крайние полости (из которых выходят штоки через сальники) либо (на двухцилиндровой версии) могли работать только на паре или сообщаться с атмосферой, либо (на четырёхцилиндровой версии) вообще не использовались и были постоянно сообщены с атмосферой.

Так вот, кроме прочего, там прорабатывалась идея в дизельном цикле после сгорания топлива и частичного расширения добавлять пар из котла с того момента, когда давление газов в цилиндре падает ниже котлового. Так, чисто для увеличения мощности до максимальной в нужные моменты, за счёт работы также и котла. Опробовали эту идею, вроде бы, только уже после войны (война прервала работы над теплопаровозами в самом их разгаре), когда интерес к теплопаровозам уже был практически окончательно потерян в связи со второй (на этот раз с подачи американцев), и уже окончательной, переориентацией на обычные тепловозы, на фоне весьма сомнительных характеристик теплопаровозов.


...Однако и этим тема возможных ДВС-паровых гибридов не исчерпывается. Существует ещё одна, куда более интересная, схема передачи для наземных транспортных средств с ДВС - газовая передача. В которой ДВС (в частности, дизель) выдаёт полезную мощность не на своём валу, а в виде выхлопных газов под давлением, на которых далее работает расширительная поршневая машина, подобная паровой, так или иначе жёстко связанная с колёсами - напрямую, через отбойный вал или же через редукторы и карданные валы по "автомобильному" типу. Определённый запас газов под давлением хранится в большом ресивере.

Эта схема передачи была предложена в 1910-х инженером А.Н. Шелестом для создания тепловоза.

Такая схема, помимо "тяговитости" и естественно присущей непрерывности тяги и бесступенчатости управления, и способности кратковременно (за счёт ресивера) выдавать мощность больше мощности первичного двигателя, хороша своей способностью к рекуперативному торможению "контрвоздухом", с запасанием энергии закачиваемого воздуха в этом же самом ресивере.

Таким образом, эта схема в принципе способна конкурировать с двумя другими перспективными схемами автономного наземного транспорта с рекуперативным торможением и ДВС в качестве первичного двигателя - электропередачей с буферной батареей ионисторов и гидростатической передачей высокого давления с буферным пневмогидравлическим аккумулятором.

При этом схема с газовой передачей параллельно может иметь и паровой котёл для возможности работы на паре. В чём может быть смысл разного характера. Либо, например, более оперативный запуск (как ни странно звучит) для каких-нибудь медленных маневровых передвижений, либо на порядки более экологичное сгорание топлива, чем в ДВС (пусть и ценой в разы меньшего КПД) там и тогда, когда чистота выхлопа критичнее его количества и соотв. расхода топлива, или тем более когда малый расход энергии собственно на движение делает паровую машину по факту вообще экономичнее молотящего почти на холостых ДВС (вполне возможно, что такие условия достигаются уже в обычной автомобильной пробке), либо вообще использование другого топлива, непригодного в ДВС.
Во́зле до́ма хо́лм с куля́ми - вы́йду на́ холм, ку́ль поставлю.
В славном городе Miami тётки мерялись ногтями, тик иң озын завсегда у Фиделя борода!

Reply #15 on: February 18, 2019, 22:57
И вот просто красивые ролики, снятые одним известным любителем паровозов в ретро-турах в Мьянме/Бирме в 2018 и 2017 годах соотв.

<a href="https://www.youtube.com/watch?v=ls3nsuMt5Dk" target="_blank">https://www.youtube.com/watch?v=ls3nsuMt5Dk</a>
https://www.youtube.com/watch?v=ls3nsuMt5Dk

<a href="https://www.youtube.com/watch?v=ptgDQzhCGa8" target="_blank">https://www.youtube.com/watch?v=ptgDQzhCGa8</a>
https://www.youtube.com/watch?v=ptgDQzhCGa8&t=26s

Паровозы, конечно, слишком стучат и шипят - слишком большие зазоры и слишком большие неплотности. Ремонтировались и подготавливались к поездке в очень трудных условиях, когда регулярная эксплуатация паровозов в стране уже лет 10 как прекращена, и почти всё специфичное ремонтное оборудование пропало.

 Кроме паровозов (позднего типа, американских) участвуют раритетные двухосные грузовые вагоны и пассажирские вагоны (в одном случае переделанные из грузовых, в другом обычные пассажирские) в ретро-окраске - серо-чёрной. Также интересны старинные мосты, семафоры, оставшиеся (по крайней мере, на момент съёмки этих видео) на двух крупных станциях главного хода.

Offtop
И сама дорога удивительна в принципе, и особенно по меркам ж.д. метровой колеи региона Индии и ЮВА.

Ниже - ссылки на два англоязычных текста, где один из организаторов тех ретро-туров рассказывает о сложностях, которые пришлось преодолеть для их осуществления, и о пессимистичных (по крайней мере с точки зрения возможностей таких "аутентичных" ретро-туров в будущем) ближайших перспективах.

https://www.farrail.com/pages/trip-reports-engl/Burma-state-railway-steam-in-myanmar-2017.html
https://www.farrail.com/pages/trip-reports-engl/Burma-state-railway-steam-in-myanmar-semaphores-2017.html
Во́зле до́ма хо́лм с куля́ми - вы́йду на́ холм, ку́ль поставлю.
В славном городе Miami тётки мерялись ногтями, тик иң озын завсегда у Фиделя борода!

 

With Quick-Reply you can write a post when viewing a topic without loading a new page. You can still use bulletin board code and smileys as you would in a normal post.

Note: this post will not display until it's been approved by a moderator.
Name: Email:
Verification:
Type the letters shown in the picture
Listen to the letters / Request another image
Type the letters shown in the picture:
√49 Напишите ответ строчными буквами:
«Сто одёжек, все без застёжек» — что это?: