Паровоз с приспособлением для автоматического регулирования подвода и распределения топлива в его топке Советский патент 1924 года по МПК F23K3/04 F23N1/02 F23M5/06 

Исходя из соображений, что идея современной автоматической топки еще не разрешена удовлетворительно, и что существующие приспособления в условиях топки с высокими те мпературами действует ненадежно, автор предлагает паровоз с приспособлением, имеющим целью удовлетворительное осуществление этой цели, разрешив три задачи: топливо в топке должно распределиться равномерным слоем по всей решетке ; без особых механизмов; подача топлива должна производиться автоматически простым элеватором; регулирование подачи топлива должно находиться в зависимости от напряжения котла.

На фиг. 1 и 2 изображены продоль- ный и поперечный разрезы приспособления на паровозе и тендере; на фиг. 3 - вид сверху на колосниковую . решетку; на фиг. 4 - топка в перепек- i тивном виде; на фиг. 5 - нарошение тендера для помещения топлива; на фиг. 6-связь конвейерного винта и кожуха; на фиг. 7-двигатель для приведения в движение ковшевого элеватора ;

и конвейера; на фиг. 8 - регулятор; на фиг. 9-подвод топлива; на фиг. 10- заслонка; на фиг. 11 - паровой цилиндр для заслонки; на фиг. 12 - устройство для подачи торфа и древесины.

Для решения первой задачи (распределения равномерным слоем) колосниковой решетке придается вид двускатной крыши с наклоненными коньками (фиг. 1, 2 и 3), так что попавшее в топку на вершину гребня топливо будет скатываться и распределяться по решетке равномерно. Угол гребня с горизонтом и угол колосниковой плиты с горизонтальной плоскостью должны быть подобраны с таким расчетом, чтобы линия сползания топлива образовала с горизонтом угол, равный углу естественного откоса раскаленного топлива при тряске, соответствующей тряске паровоза. Из фиг. 4 видно, что линия сползания топлива АВ-АВ перпендикулярна к линии пересечения наклонных колосниковых плит 7 с горизонтальной плитой 3. При забросе топлива, оно скатывается по указанным линиям до стенки топки, возле которой образуется бугор. Дальнейшее заполнение решетки топливом идет по кривым линиям, как примерно показано на фиг. 4. В виду того, что приток свежего топлива находится в верху гребня, оно будет менее накаленным и менее плотным, чем нижележащий слой топлива. Последний получает добавочное уплотнение от давления верхней части. В результате сопротивление проходу воздуха в нижней части топки будет больше, чем верхней. С целью урегулирования сопротивления слоя, нижняя часть колосниковой решетки сделана горизонтальной. Переход от колосниковых плит / к плите 3 сделан при помощи плит 2, имеющих меньший угол наклона гребня. При таком устройстве получится к концу решетки уменьшение толщины слоя топлива, а, следовательно, и уменьшение сопротивления протоку воздуха. Соответствующим подбором ширины колосниковой плиты 3 должно получиться вполне равномерное сопротивление слоя. Угол естественного откоса различный для разного вида топлива. Подобранный вполне правильно, угол сползания для одного вида топлива будет недостаточным для другого. Поэтому должно получиться некоторое утолщение слоя по направлению к гребню решетки. Принимая во внимание относительно малые размеры топки и малую разницу в углах естественного откоса топлива при тряске паровоза, такое утолщение будет незначительным и не имеющим практического значения при процессе сгорания. Плиты типа /, 2 и 3 должны быть чугунными. Отверстия в них для прохода воздуха делаются в зависимости от вида топлива, как и в плитах для стационарных котлов. Нормальная колосниковая решетка для длиннопламенного топлива, дающего малое сопротивление слоя, должна быть выполнена с щелевидными отверстиями большого живого сечения с целью уменьшения сопротивления протоку воздуха и лучшего удаления сыпучей несплавившейся золы. После прохода через такую решетку, воздух встретит большую поверхность окисления топлива, и горение произойдет на верхней плоскости колосниковых плит. Для антрацитов и углей с малым выходом летучих веществ зону интенсивного горения необходимо отнести от поверхности колосниковых плит, что достигается круглыми отверстиями диаметром около 12 м.м., расположенными равномерно по решетке на расстоянии 40 - 50 м.м. друг от друга. Во избежание забивания воздушных отверстий шлаком, необходимо дать им возможно сильное уширение книзу. Такие же отверстия можно применять и для подмосковного угля. С целью возможно простого удаления шлаков из топки, колосниковая плита 3 сделана опрокидывающейся около оси 4, при чем ее поворачивание достигается давлением шлаков, т. е. без больших физических усилий. Провалившийся в поддувало щлак выбрасывается наружу при открывании двухстворчатой дверки 5. Колосниковая плита 3 и дверки 5 при помощи рычагов и тяг соединены с тягами б, рукоятки которых выведены над площадкой паровоза, где расположены рукоятки рычагов дверец поддувала. Как известно, для всех видов топл}1ва, дающих большой выход летучих веществ, требуется уменьшение прямой отдачи тепла топлива лучеиспусканием. Лучистая теплота, падая на металлические стенки топлива, сравнительно холодные, поглощается этими стенками, вследствие чего температура топки понижается, выделившиеся из топки летучие вещества сгорают слишком медленно, а в некоторых случаях могут и совсем не сгореть, если пространство топки по пути пламени недостаточно, или же температура топки падает ниже температуры воспламенения летучих веществ. С целью повышения температуры топки устраивают свод 7 из огнеупорного кирпича. Для топлив влажных и с большим выходом летучих веществ необходимо увеличить теплоемкость топки, 80 избежание резких колебаний температуры при забросе свежего топлива. Достигается это футеровкой 9 боков и передней стенки огнеупорным кирпичем. Часть поверхности нагрева при этом работает с меньшей интенсивностью, но улучшение процесса сгорания позволяет лучше использовать теплоту остальной поверхности

нагрева котла. Футеровка стенок, помимо основного своего назначения, предохраняет также горящие, но еще не вполне сгоревшие, летучие вещества от соприкосновения с холодными стенками топки. Температура стенок топки колеблется от 200 - 300° С. и только в исключительных случаях, при больщом наслоении накипи, достигает 500° С. Температура же воспламенения летучих веществ значительно выще температуры стенок топки. Так, водород (Н) загорается при температуре 550 С., метан (CHi) и окись углерода (СО) - около 650 С. Температура воспламенения углерода (С) находится в этих пределах. Следовательно, если стенка не изолирована, то образовавщиеся возле нее газы улетают не сгоревщими в дымогарные трубы и оттуда в дымовую трубу. Футеровка стенок уменьшает площадь колосниковой решетки, но последняя увеличивается за счет наклонного расположения колосниковых плит; поэтому, даже при футеровке, площадь колосниковой решетки получится увеличенной, и только в паровозах с малой топкой площадь колосниковой решетки остается такой же, как и в существующих паровозах. Загоревшиеся газы требуют для полного своего сгорания определенного времени. Если на пути своем они встречают холодную стенку, то могут затухнуть, и процесс сгорания останется не законченным. Для устранения этого явления служит сводик в один кирпич 8. Он отводит струю пламени от задней стенки топки и предохраняет ее от потухания. Между сводом 7 и передней стенкой топки оставлен небольшой зазор. Назначение его--дать возможность очищать во время иромывок верхнюю поверхность свода от осевщей золы. Зола образуется за счет сгорания частиц твердого топлива, увлеченных потоком газов и осевших, как указано на чертеже, вследствие уменьшения скорости газов к концу свода. Осеви1ая зола является изолирующим слоем, мещающим раскаленному своду передавать свою лучистую теплоту небу и верхним частям стенок топки, т. е. ухудшает теплопоглощение стенок топки и в то же время повышает температуру свода до плавления кирпича.

Таким образом, самораспределяющая топка должна, по мнению автора, вносить облегчение в отоплении паровозов, даже вручную.

Для решения второй задачи (автоматическая подача топлива), подготовленное в более мелких кусках твердое топливо может быть подано в топку элеватором, как на фиг. 1-3.

Все виды топлива с малой теплоплотностью требуют нарощения тендера для помещения определенного требуемого количества тепловой энергии. Нарощение может быть как деревянное, так и металлическое с открывающимися люками /7 (фиг. 1 и 5). От передней стенки будки тендера идет во всю ширину наклонный лист 10. Под ним расположен ковшевой элеватор 17, зачерпывающий топливо из лотка, примыкающего к наклонной плоскости 10, как показано на фиг. 1. Ковц1ами топливо подается в раструб 12 и отсюда винтовым конвейером 73 через трубу 14 в топку паровоза. Винт конвейера получает вращение при помощи червячного колеса, сидящего на верхней оси элеватора. Лист 16 служит для регулировки притока топлива к ковщам элеватора. По мере забора топлива ковщами элеватора, оно будет постепенно оседать, выдавливаться в лоток, и, таким образом, элеватор будет в состоянии выбрать почти весь объем тендера. Остаток, .лежащий на задней части бака тендера в его боках, ограниченный поверхностью естественного откоса топлива, нужно сбрасывать в среднюю часть тендера вручную во время стоянок на станциях. Лист 18, положенный под углом естественного откоса топлива, способствует более правильному притоку топлива к элеватору. Как видно из фиг. 1 и 5, постановка элеватора не должна вызывать никаких переделок тендеров, в средней части которых нет водяной части бака. В тех же тендерах, где эга часть имеется, для увеличения количества забираемого элеватором топлива, необходима переделка с уничтожением передней части водяного пространства, как изображено на фиг. 1. Но можно обойтись и без переделки, если элеватор 11 сделать короче, т. е. довести его до верхней

грани средней части водяного бака. При этом уменьшается количество топлива, забираемого элеватором, как это отмечено на чертеже наклонной линией. При постройке новых тендеров полезно придавать внутренним очертаниям водяных баков угол естественного откоса топлива, и, таким образом, все топливо, находящееся на тендере, будет забираться элеватором. В вИду того, что тендер в пути имеет самостоятельную тряску, не зависимую от тряски паровоза, необходимо винту и кожуху, как связывающим звенья элеватора 77 и трубы 74, дать свободу перемещения во всех направлениях. Достигается это тем, что концы оси винта покоятся в шарообразных подшипниках и получают поступательное и одновременно вращательное движение, видное из фиг. 6. Точно такое же движение получает и правый конец кожуха 73. Левый же конец, переходящий в раструб 72, покоится на верхней оси элеватора 77 в подобных подшипниках. При таком устройстве различные колебания тендера и паровоза не должны препятствовать правильной работе элеватора и винтового конвейера. Элеватор может приводиться в движение машиной производительного типа, воздействующей на концы верхнего вала элеватора. Однако, условия работы на паровозе, при напряженном внимании машиниста и его помощника, требуют от машины простоты конструкции и надежности действия. Пример подобной машины приведен на фиг. 7. Машина может работать паром или сжатым воздухом. В цилиндре 7 вставлена втулка 2 с прорезами 3-4 для BitycKa и 5 для выпуска пара или воздуха. Во втулке движется поршенек 6. На чертеже он представлен в среднем положении. Когда поршенек находится в одном из крайних положений, например, в нижнем, то отверстие 3 открывается. Пар или воздух проходит через нижний канал 3-4 и давит на поршенек, передвигая его вверх. Приток пара или воздуха возможен до тех пор, пока поршенек не закроет отверстия 3. При дальнейшем движении поршенька произойдет отсечка; пар или воздух начнет работать расширением, пока поршенек не откроет выпускного отверстия 5. При крайнем верхнем положении порщенька откроется верхний паровпускной канал 3-4, я поршенек начнет двигаться вниз. От верхней части поршенька идет шток, передающий давление пара или воздуха через крейцкопф и шатун кривошипу 7, сидящему на верхнем валу элеватора. Для того, чтобы возможно было приводить в действие элеватор в любой момент, необходимо поставить две такие машины, действующие на кривошипы вала, расположенные под углом в 90°.

Для решения третьей задачи (регулирование подачи топлива), работа выщеприведенной машины может регулироваться мятием пара или воздуха. Если на пароприводной трубе поставить обыкновенный вентиль, то, регулируя его открытие от руки, получим возможность давать переменное число оборотов поршней, а в зависимости от этого и переменную подачу топлива в топку. Для работы с хорошим коэфициентом полезного действия такое регулирование требует от помощника машиниста постоянного наблюдения за слоем топлива, напряженного внимания и понимания процесса сгорания. Поэтому, крайне желательно связать подачу топлива с напряжением котла. Чем большее количество пара расходуется котлом, тем интенсивнее должно идти горение топлива, и тем большая должна быть подача его в топку. Интенсивность горения зависит от количества воздуха, прошедшего через слой топлива, который должен иметь наивыгоднейшую постоянную толщину и одинаковое по всей колосниковой решетке сопротивление. Количество воздуха, прососанного через слой топлива, находится в тесной зависимости от разряжения в дымовой коробке. Последнее создается почти исключительно работой корпуса, находящейся в зависимости от отсечки, скорости поезда и величины открытия регулятора при постоянном сечении конуса. С уменьшением каждого из этих трех факторов меняется расход пара машиной паровоза. Работа же конуса и производимое им разряжение в дымовой коробке, при данном весе выпускаемого пара, в единицу времени остается почти одинаковой, происходит ли это при малой скорости, но большой отсечке, или же при большой скорости с малой отсечкой. Таким образом, работа конуса, обусловленная создаваемым в нем давлением пара, находится в прямой зависимости от расхода пара машиной. Отсюда следует, что, для создания хороших условий процесса сгорания, необходимо связать работу элеватора с работой конуса, при чем необходимо иметь возможность регулировать подачу топлива от руки. Достигается это при помощи регулятора, изображенного на фиг. 8. Регулятор состоит из цилиндра 7, в котором движется поршень 2, нагруженный пружиной 3. Пространство под поршнем соединяется каналом и трубкой 8 с конусом паровоза. Пор1иень 2 имеет стержень 5, оканчиваюшийся клапаном, закрывающим отверстие в пластинке 6. Последняя разделяет камеру, сообщенную каналом и трубкой 9 с паровым пространством котла, от камеры, сообщенной трубкой 7 с паровой машиной элеватора. При работе паровоза пар из конуса давит на поршень 2, отодвигая его вверх. Вследствие этого, стержень с клапаном 5 открывает отверстие в пластинке 6 и устанавливает сообщение между паровым котлом и машиной элеватора. Последний начинает работать и приводит в действие элеватор. С изменением давления в конусе поршенек 2 будет передвигаться и соответственно прикроет или откроет отверстие пластинки 6. Количество пара, протекающего в машину, изменяется, а вместе с тем будет изменяться и скорость вращения вала элеватора машиной. Следовательно, подача топлива в топку будет соответствовать напряженности работы котла. Если подачу топлива отрегулировать при помощи винта 4 так, чтобы слой топлива в топке поддерживался постоянным при наивыгоднейшем содержании СО2 в газах, то получим хороший процесс сгорания при различных напряжениях котла. Расход топлива паровозом при одном и том же напряжении котла зависит от количества теплоты, содержащейся в единице объема топлива - от его теплоплотности. Чем меньше теплоплотность топлива, тем больший объем в единицу

времени должен подать элеватор в топку и тем быстрее должна работать машина. Каждый вид топлива, следовательно, требует вполне определенного положения винта 4.. Если это положение нанести на рейку 77, то будем иметь возможность вести отопление паровоза наивыгоднейшим способом на различных видах топлива, при чем помощнику машиниста нет надобности приноравливаться к новому топливу. Он должен ставить рукоятку винта против того давления рейки 77, которое соответствует сжигаемому паровозом топливу. На стоянках и при растопке паровоза, когда имеется давление пара около 2-х атмосфер, отопление можно вести всегда также автоматически, переключая трехходовой кран регулятора и устанавливая сообщение пространства под поршнем 2 с паровым котлом при помощи трубки 10. Начальная растопка холодного паровоза должна вестись вручную через шуровочное отверстие.

Подача топлива в новых паровозах осуществляется просто, и топочную камеру можно построить с таким расчетом, чтобы постановка самораспределяющейся топки для всех видов топлива не встречала затруднений. Кроме торфа, как топлива для паровозов, в самораспределяющей топке можно сжигать и дрова, распиленные на более мелкие куски, примерно, около /4 аршина в поперечном размере и такой же длины. Устройство подачи кусков древесины ничем не отличается от изображенного на фиг. 12. Вопрос о применении в отоплении паровозов древесины в более мелких кусках, чем поленья, можно разрещить, если распиловку вести в момент заготовки леса.

В существующих паровозах, примерно, в месте входа трубы Т4 в лобовой лист котла, помещается регулятор. Подвод же топлива обязательно должен быть на вертикальной центровой линии топки. Наиболее просто осуществляется этот подвод, если в дверке шуровочного отверстия сделать дыру и подвести к ней часть трубы 14 (фиг. 9). Для возможности открывания дверки необходимо колено 14 сделать отдельно от трубы 14. С целью задержки топлива в трубе 14 в момент открытия дверки,

на конце трубы поставлена заслонка 79 ; (фиг. 10), на оси которой сидит рычаг 20. На рычаг действует шток I поршня 21 парового цилиндра 22 (фиг. 11). Поршень отжимается пружиной 23. Цилиндр сообщается труб- ; кой 24 с пароприводной трубкой машины элеватора (фиг. 7). В период работы машины заслонка держится в положении, изображенном на фиг. 10. Перед открытием дверки топки необходимо машину остановить. Пар в пароприводной трубе будет отсутствовать, и, следовательно, поршень 21 будет находиться под действием пружины 23. : Последняя поднимет поршень вверх, i при чем повернется, примерно, на угол 90°, и заслонка 19 (фиг. 10). Таким образом, все топливо, находяшееся ; в трубе 14, задержится от выпадения. Часть же топлива, находяш,аяся в ко- : лене 14, должна постепенно опуститься в топку по мере его выгорания. В виду малого объема топлива, заключающегося в колене 14, продолжительность периода опоражнивания колена, а, следовательно, и задержка в открытии дверки, практического значения иметь не может. Труба 14 и винтовой конвейер 13 : весьма, по мнению автора, удобны для кускового топлива с размером кусков до 2, т. е. для всех видов каменного угля, антрацитов и торфяной мелочи. Для топлива же, куски которого больше 2, напр., торфа, наиболее целесообраз- , ное устройство подводящего рукава 14 изображено на фиг. 12. Куски торфа | непосредственно из ковшей элеватора попадают в трубу 14, нижняя часть которой 74 вставлена в дыру дверки шуровочного отверстия. Перед откры- i тием дверки топки, необходимо остано- вить машину, приводящую в действие элеватор, и выждать момент опускания топлива из трубы 14-14, вводя в щель ; между трубой 14 и ее нижней частью 141 заслонку. Верхний уровень топли- ; ва зависит от шуровочного отверстия, т. е. плиты колосниковой решетки должны располагаться настолько ниже I

шуровочного отверстия, чтобы толщина слоя была вполне достаточной, примерно, около 350 - 400 м.м. для кускового торфа. По мнению автора, осуществление этой толщины невозможно в некоторых существующих паровозах, топки которых расположены над рамой; для других же видов топлива осуществление топки больщею частью возможно в существующих паровозах.

ПРЕДМЕТ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Паровоз с приспособлением для автоматического регулирования подвода и распределения топлива в его топке, характеризующийся совокупным применением: а) воздушного или парового двигателя для приведения в движение ковшевого элеватора 77 и конвейера 13 (фиг. 1) или одного элеватора 77 (фиг. 12), подающего топливо в приемную трубу 14 топки, в каковом двигателе в цилиндр 7 (фиг. 7) вставлена втулка 2, образующая камеры 7,7 для впуска через каналы 3 н 4 к камеру 2 для выпуска каналами 5; б) приспособления для регулирования подвода топлива, в коем между трубкой 9 (фиг. 8) из котла и трубкой 7, ведущей в двигатель, установлен клапан, находящийся с одной стороны под давлением в конусе по трубке 8 к а другой - под давлением регулируемой пружины 3; в) заслонки 79 (фиг. 9, 10), автоматически прекращающей доступ воздуха, под давлением пружины 23 (фиг. 11) на порщекь 21 цилиндра 22 при отсутствии давления в трубке 24, соединенной с трубой, питающей элеваторный двигатель; г) паровозной топки, снабженной колосниковой решеткою 1, 2, 3 (фиг. 1, 2, 3, 4) в виде наклонной двускатной крыши 7,7, переходящей при посредстве плиток 2,2 в горизонтальную площадку 3, и двумя сводиками 7,8, из коих первый доходит до передней стенки топки, а второй помещен вверху задней части топки. L 2: