CC BY
129
72
Современные технологии - транспорту
Статья поступила в редакцию 28.04.2009;
представлена к публикации членом редколлегии А. И. Хожаиновым.
УДК 629.422(075)
А. А. Тимофеев, И. Г. Киселёв, А. С. Краснов
ОДИН ИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ КПД ПАРОВОЗА
В работе рассмотрена наиболее крупная служебная дискретная потеря теплоты паровоза, а именно потеря теплоты на работу сифона и намечены пути её уменьшения, что способствует повышению к.п.д. паровоза в целом.
паровоз, потери теплоты, сифон, к.п.д. паровоза.
Введение
В настоящее время основными видами локомотивов эксплуатируемых на сети железных дорог России являются электровозы и тепловозы. Стремительное истощение запасов органического топлива заставляет задуматься над использованием альтернативных видов локомотивов, таких как газотурбовозы и паровозы. Современный подход к эксплуатации паровозов предполагает внедрение различных устройств и новых технологий, совершенствующих паровоз как тяговую единицу, но в то же время, не изменяя его облика в целом (при эксплуатации в ретро- поездах). Основными направлениями совершенствования паровоза являются повышение его
к.п.д. и улучшение условий труда локомотивных бригад.
Существенным недостатком любого паровоза является его низкий к.п.д. Тепловой баланс теплосиловой установки паровоза включает в себя три группы потерь теплоты: потери в котле, потери в паровой машине и служебные потери, которые в основном можно отнести к потерям по котлу, но обычно они выделяются в отдельную группу.
1 Служебные потери теплоты паровоза
Служебными потерями принято называть потери теплоты на собственные нужды паровоза. Они складываются из потерь на собственные нужды котла, паровой машины и всех других устройств потребляющих на паровозе пар. По степени важности служебные потери можно условно разделить на основные и дополнительные. К основным служебным потерям относятся неизбежные потери теплоты, без которых эксплуатация паровоза невозможна или опасна.
72
Современные технологии - транспорту
73
Дополнительные потери появляются из-за наличия дополнительного оборудования или устройств ранее не применяемых на паровозе, которые или напрямую расходуют котловой пар или увеличивают уже имеющиеся потери. Первый тип дополнительных потерь возникает при наличии потребителей пара повышающих общую экономичность паровоза (турбонасос водоподогревателя, оборудование для конденсации пара и т.п.), а также при потреблении пара оборудованием служащим для облегчения условий труда локомотивной бригады (стокер). Второй тип дополнительных потерь косвенно увеличивает расход пара, увеличивая потребление других видов энергии, в основном это затраты пара на тормозной насос (прокачка колосников, пневмоприводы на топочные дверцы и продувательные краники, сервопривод реверса, тифон и др.) и турбогенератор (системы повышающие безопасность движения, типа автоматическая локомотивная сигнализация «АЛСН», радиосвязь и т.п.). В совокупности дополнительные потери существенно увеличивают служебные потери и требуют более рационального использования пара.
По периодичности действия служебные потери можно разделить на непрерывные и дискретные. К дискретным относятся те потери теплоты, которые на определённое время могут равняться нолю. Наиболее крупной служебной дискретной потерей является потеря на работу сифона (до 5 % от располагаемого количества теплоты, выделяемого при полном сгорании топлива).
2 Потеря теплоты на работу сифона
Сифон служит для создания или усиления искусственной тяги в газовом тракте котла и представляет собой кольцо диаметром от 240 до 390 мм, изготовленное обычно из трубки внутренним диаметром от 18 до 35 мм в зависимости от мощности теплосиловой установки паровоза. В кольце просверлены отверстия диаметром 3...6 мм. Количество этих отверстий на разных паровозах различно. На большинстве паровозов в более поздний период их эксплуатации были установлены усиленные сифоны (рис. 1) с расходящимися соплами Лаваля по предложению профессора А.Н. Шелеста. Такой сифон изготавливают из стальной трубки или отливают из чугуна. Сопла 2 в нём ввёрнуты в бонки 3, приваренные к корпусу 1 и при износе могут быть легко заменены. Сифоны с соплами Лаваля обеспечивают лучшее разряжение в дымовой камере, требуют меньше времени для поднятия давления в котле и более экономичны по расходу пара [1].
Действие сифона основано на явлении разряжения воздуха вокруг движущегося потока. Сифон и соосно расположенная с ним дымовая труба установлены в дымовой камере (коробке) паровозного котла и представляют собой дымососное устройство, работающее по принципу эжектора. Пар, выходящий из отверстий или сопел сифонного кольца увлекает в ды-
74
Современные технологии - транспорту
мовую трубу газы, находящиеся в дымовой камере, создавая в ней разряжение и соответственно тягу в газовом тракте котла.
При работе основных паровых машин тяга в газовом тракте котла осуществляется за счет использования уходящего отработанного пара, при этом надобность в сифоне отпадает, и его закрывают вручную. Периодичность работы паровых машин предполагает периодичность открытия и закрытия сифона, что на практике не происходит из-за наличия человеческого фактора. Это особенно заметно при кратковременной работе паровых машин, что соответствует движению паровоза при маневрах. Отсутствие быстродействия при закрытии, а также долговременное или непрерывное открытие сифона приводит к появлению необоснованного и достаточно значительного перерасхода пара. Для уменьшения этой потери предлагается установить автосифон отключающий подачу пара в сифонное кольцо при работающей паровой машине [3].
Рис. 1. Усиленный сифон с расходящимися соплами: 1 - сифонное кольцо; 2 - сопло; 3 - бонка приварная
74
Современные технологии - транспорту
75
3 Сущность действия автосифона
Автосифон (рис. 2) служит для создания искусственной тяги в газовом тракте паровозного котла при следовании с закрытым регулятором (беспарный ход) или на стоянке паровоза, причем включение и выключение устройства производится автоматически без участия локомотивной бригады в зависимости от требуемой тяги в газовом тракте котла.
Задача автосифона - снижение расхода пара за счет повышения быстродействия.
Автосифон содержит сифонное кольцо 1 с равномерно распределенными по нему отверстиями для выхода пара, соединенное с пароподводящей трубой 2, подсоединенной к паровому котлу (на чертеже не указан), на которой установлен нормально закрытый вентиль ручного регулирования 3. Параллельно вентилю ручного регулирования 3 к пароподводящей трубе 2 подсоединена дополнительная труба 4, на которой установлены клапан 6 перекрытия подачи пара и вспомогательный нормально открытый вентиль ручного регулирования 5.
Клапан 6 может иметь любую запирающую конструкцию и подсоединение относительно потока пара. Импульс включения - отключения может осуществляться пневматическим, электрическим, механическим или иным способом от рабочих, регулирующих и других органов паровоза например изменением давления в паровпускной трубе паровой машины. Открывается клапан автоматически при недостаточной тяге в газовом тракте котла. Вспомогательный вентиль ручного регулирования 5 позволяет регулировать расход пара, протекающего через клапан 6, или отключать последний. Вентиль ручного регулирования 3 вводится в работу в случае необходимости дополнительного усиления тяги.
76
Современные технологии - транспорту
При снижении тяги в газовом тракте котла происходит открытие клапана 6 и пар, проходя по дополнительной трубе 4 через вспомогательный вентиль 5 и клапан 6, поступает в сифонное кольцо 1 и выходит через отверстия, расположенные в нем. При необходимости усиления тяги и повышения интенсивности горения твердого топлива на колосниковой решетке (при открытом регуляторе и работающих паровых машинах, и соответственно имеющейся, но на данный момент недостаточной тяге) производится открытие вентиля ручного регулирования 3, и пар также поступает в сифонное кольцо 1.
4 Конструктивные особенности клапана автосифона
В качестве запорного клапана в автосифоне предлагается использовать унифицированный клапан регулятора хода паро-воздушного насоса (точнее компаунд-насоса, условный № 91), представленный на рис. 3 [4].
76
Современные технологии - транспорту
77
Рис. 3. Клапан регулятора хода паро-воздушного насоса:
1 - нижняя часть корпуса; 2 - паровой клапан; 3 - втулка специальная; 4 - средняя часть корпуса; 5 - воздушный поршень; 6 - втулка воздушного поршня; 7 - кольцо уплотняющее; 8 - сетка; 9 - промежуточная часть корпуса; 10 - ниппель 0 2 мм.; 11 -диафрагма; 12 - ниппель 0 0,6 мм.; 13 - головка регулировочная; 14 - пружина; 15 -упор центрирующий; 16 - винт; 17 - гильза; 18 - колпачок.
В конструкции клапана для автосифона детали позиций 10... 18 удаляются из-за отсутствия надобности в них. Вместо детали 12 и клапана для слива конденсата, установленного на нижней части корпуса 1 ставятся стандартные болты, заглушающие образовавшиеся отверстия в корпусе 1. Вместо сборочного узла, состоящего из деталей 11.18 ставится единственная специально изготовленная деталь - букса 10 (рис.4), в нее вкручивают демонтированный с корпуса 1 клапан для слива конденсата. Перед постановкой этой буксы, в промежуточной части (поз. 9) просверливается отверстие А диаметром 10 мм. для слива конденсата. Вся конструкция переворачивается относительно горизонтальной оси так, что деталь позиции 1 становится вверху, а промежуточная часть 9 - внизу. Таким образом, использовав унифицированный регулятор хода паро-воздушного насоса и изготовив всего одну деталь, получаем готовый клапан для автосифона, который отвечает принципам взаимозаменяемости и ремонтопригодности.
78
Современные технологии - транспорту
Рис. 4. Клапан автосифона: детали позиций 1.. .9 тоже наименование, что и на рис. 3; деталь 10 - букса.; позиции 11.14 стандартные болты и шайбы
Автосифон может работать как самостоятельно, так и параллельно традиционному ручному регулированию и соответственно позволяет перекрывать пар поступающий в сифонное кольцо как без участия локомотивной бригады так и вручную. За счет повышения быстродействия система снижает расход пара на работу сифона.
Достижение технического результата осуществляется за счет того, что клапан автосифона способен быстро реагировать на изменение тяги в газовом тракте котла, вследствие чего снижаются затраты времени на осуществление открытия или перекрытия подачи пара в сифонное кольцо и как следствие происходит существенная экономия пара.
Заключение
Наиболее крупной служебной дискретной потерей теплосиловой установки паровоза является потеря теплоты на работу сифона. Отсутствие быстродействия у обычного сифона приводит к необоснованному перерасходу пара, особенно при маневровой работе.
Для изготовления и монтажа автосифона можно использовать стандартные клапаны, применяемые в регуляторах хода паро-воздушных насосов паровоза. При использовании унифицированного клапана требуются незначительные изменения его конструкции.
Предлагаемый автосифон производит автоматическое открытие и закрытие подачи пара в сифонное кольцо в зависимости от требуемой тяги в газовом тракте котла. За счет быстродействия он существенно снижает служебный расход пара и соответственно повышает к.п.д. паровоза в целом.
Библиографический список:
1. Паровоз (устройство, работа и ремонт) / А. В. Хмелевский, П. И. Смушков. -М. : Транспорт, 1979. - 414 с.
2. Тепловой процесс паровоза / С. П. Сыромятников. - М. : Изд-во Академии наук СССР, 1955. - 603 с.
3. Пат. 68063 Российская Федерация, МПК F 01 В 31/30. Автосифон / Буянов А. Б., Киселев И. Г., Тимофеев А. А., Краснов А. С.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения». -№ 2007125030/22; заявл. 02.07.07; опубл. 10.11.07, Бюл. № 31. - 1 с.: ил.
4. Автотормоза локомотивов / В. И. Крылов. - М. : Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1956. - 380 с.
78
