ТЕПЛОВОЗЫ. Вехи непройденного пути. Издание второе, переработанное и дополненное

Большим преимуществом пневматических локомотивов, правда, редко используемым на практике, является обратимость пневмодвигателя, возможность перевода его в компрессорный режим и, тем самым, осуществление рекуперации энергии торможения, что в энергетическом смысле аналогично применению рекуперативного торможения на электровозах.

1.2. Зарубежные пневмолокомотивы

Пневмолокомотивы Андро и дю Мотай. Первое фактически осуществлённое пневматическое рельсовое транспортное средство было построено М. Антуаном Андро и Тесси дю Мотай (полное имя Киприен-Мари Тесси дю Мотай) в 1839 г. на заводе Chaillot в Париже, Франция, и испытано в 1840 г. Давление в запасающих баллонах составляло 17 ат, а давление двигателя – 3 ат, что предполагает использование редукционного клапана.

В 1844 г. М. Андро построил локомотив 1-1-1 массой 5 т с одним клёпаным воздушным резервуаром, вмещавшим 3 м3 воздуха при давлении 21 ат. Впервые он был испытан в 1844 г. на версальском левобережном треке, проходя обратный путь длиной 3,2 км со скоростью от 27 до 32 км/ч.

Из патента 1841 г. мы узнаём, что Андро и Тесси дю Мотай основались на улице Шаброль, 35 в Париже; эта дорога до сих пор существует и лежит к юго-западу от Гар дю Нор, где заканчивается маршрут тоннельных поездов из Великобритании. Предполагается, что приведённая иллюстрация локомотива Андро относится к этой машине.

Пневмолокомотив Андро. 1844 г. Изображение из Энциклопедии

католиков, Parent-Desbarres, 1845.

Ёмкость резервуара составляла от 8 до 10 м3 при давлении до 20 ат. Похоже, что цилиндры были внутри рам сзади и действовали на среднюю ось. Энциклопедия утверждает, что локомотив был «двойного действия»; это может означать или что цилиндры были двойного действия, или что использовалось компаундное расширение. Вероятно, это было сделано впервые; если компаундное расширение действительно использовалось, то оно было применено на 50 лет раньше Ходжеса и Портера (см. ниже).

Пневматический локомотив Парси. В 1839 г. Артур Парси получил английский патент (№8,093) на локомотив, приводимый в движение сжатым воздухом. После им было получено ещё два английских патента: в 1844 г. и 1854 г. (№88). Он также получил американский патент (№5,205) в 1847 г.

Пневматический локомотив Парси. 1847 г. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Резервуар A заполнялся воздухом, «сжатым до такой степени, как это было совместимо с безопасностью», который питал камеру ресивера D, давление в двигателе поддерживалось автоматическим редукционным клапаном C, через который воздух по трубам подавался в шпилевидный вертикальный двигатель двойного действия B. Использование ресивера пониженного давления между основным (запасающим) резервуаром и двигателем вначале было характерно для многих подобных устройств. Парси планировал использовать давление в основном резервуаре от 70 до 140 ат при давлении в двигателе 4,2 ат. Клапан F служил для зарядки воздухом, а G являлся предохранительным клапаном. Двигатель имел два цилиндра, чтобы предотвратить проблемы с мёртвой точкой. Локомотив предназначен для работ на угольных шахтах, где отсутствие дыма и огня было бы большим преимуществом. Изображение взято из американского патента.

Современная иллюстрация локомотива на сжатом воздухе

Парси. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Локомотив является точным представлением модели, показанной ниже. Йоркский железнодорожный музей уверенно заявляет, что полномасштабная версия не была построена. Эта сцена является воображаемой, и, конечно, не показывает работу в угольной шахте. Это изображение появилось в « Иллюстрированных лондонских новостях» за 28 февраля 1846 г., стр. 140, во главе статьи, озаглавленной «Пневматический двигатель Парси», в которой было заявлено про утверждение Парси, что максимальная скорость может варьироваться от 20 до 100 миль в час (32 ÷ 160 км/ч) за счёт изменения давления в ресивере, и что заряда воздуха будет хватать локомотиву на протяжении 50 миль (80 км) при движении 40-тонного поезда. Зарядные станции должны были устанавливаться каждые 30 миль (около 50 км).

Модель пневмолокомотива Парси. Эта модель находится

в Йоркском железнодорожном музее в Англии. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

По словам сотрудников музея, модель была построена в 1845 г. для демонстрации патентов Парси 1839 и 1844 гг., а позднее была представлена директорам Большой западной железной дороги покойным сэром Джеймсом Кейрдом Бт. Он был судовладельцем, поэтому непонятно, как она к нему попала. Маленький зелёный цилиндр непосредственно над центральной осью является одним из паровых цилиндров. Большой зелёный цилиндр справа от него – приёмник воздуха после того, как он снизился до рабочего давления двигателя. Поверх него находится маховик и винт, который устанавливал давление в редукционном клапане. Между колёсами нет спаривания, и оно невозможно, поскольку колёса имеют разные диаметры, поэтому ведущей является только средняя ось. Это, вероятно, приводило бы к проскальзыванию колёс, если бы была построена полноразмерная версия.

Двигатель пневматического локомотива Парси. 1846 г. Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Этот рисунок взят из вышеприведённого художественного цикла иллюстрированных лондонских новостей. Несмотря на плохое качество он достаточно информативен. Два запасающих резервуара А, по-видимому, постоянно соединены друг с другом через трубу OCK. Ресивер находится на E, а редукционный клапан на G. Два цилиндра двигателя находятся на K.

Американский патент содержит вызывающий сильное недоумение второй раздел, согласно которому пневмолокомотив снабжён средствами для подачи воздуха обратно в ресивер после его использования в двигателе. Парси говорил: «Я предлагаю при некоторых обстоятельствах вместо того, чтобы позволять его выпускать8, как пар двигателя высокого давления, возвращать сжатый воздух в ресивер А после того, как он воздействует на поршень». Видимо, он имел в виду резервуар A (то есть основной резервуар-хранилище), так как ресивер помечен буквой D, что означает, что давление использованного воздуха должно быть поднято до 70 ат или около того; эта путаница с терминами подрывает доверие к мистеру Парси. А что значит «некоторые обстоятельства»?

Теперь, если эта накачка относится к рекуперативному торможению, это было бы впечатляюще; но это не так, и это вызывает опасение, что предполагается какой-то вечный двигатель. Фактически Парси предполагал, что накачка может производиться вручную (что совершенно непрактично), но он предпочитает «использовать небольшой паровой двигатель» для выполнения этой задачи. Поэтому в простой пневматический локомотив теперь добавились паровой котёл, резервуары для воды, хранилище для угля и так далее. Это неразумно и показывает, что мистер Парси был не очень практичным человеком.

В 1846 году модель Парси была выставлена в офисе компании по производству сжатого воздуха Parsey, №5 Pall Mall East, где её видел Уильям Уильямс с Риджент-сквер в Лондоне. Он не был впечатлён. Он чувствовал, что «… высокая похвала и покровительство, которые были возложены на изобретение» были незаслуженными, поскольку упускались из виду потери мощности в редукционном клапане. Он согласился с тем, что редукционный клапан забирал небольшое количество воздуха при высоком давлении и давал больший объём при более низком давлении, но убедил себя, что есть скрытые потери, которые приведут к уменьшению радиуса действия локомотива до одной или двух миль. Мысли Уильямса были опубликованы в журнале «Mechanics Magazine», т. 44, стр. 200, сб. 14 марта 1846 г., №1179. Другим критиком был некто «A W», который считал предложение Парси чем-то вроде «пузыря», то есть весьма умозрительным и, возможно, неправильным. Похоже, он ещё меньше вникает в ситуацию, чем мистер Уильямс, полагая, что падение давления в редукционном клапане представляет собой мощность, которая будет полностью потеряна. Он заключает: «Я не могу не добавить, что 1000 фунтов на квадратный дюйм – опасное давление для такого применения. Проектировщики утверждают, что воздух обладает всей экспансивной мощностью пара; это совершенно верно, но также верно и то, что он одинаково опасен». Это кажется справедливым комментарием, если Парси намеревался использовать медные сосуды при 70 ат. На стр. 221 этого номера журнала «Mechanics Magazine» некий ещё менее осведомлённый «J M» ошибочно написал о потерях в редукторе. Ни один из корреспондентов не упомянул о вполне реальном источнике неэффективности всего процесса – потерях при сжатии воздуха, в первую очередь.

Пневматический локомотив, использовавшийся в

Сен-Готардском тоннеле. 1876 г.

Это первое широкое применение локомотивов на сжатом воздухе для перевозок. На этой иллюстрации изображён локомотив типа 0―2―0. Преимущество его использования состояло также и в том, что холодный воздух при выхлопе способствовал вентиляции тоннеля. Масса локомотива приблизительно 7 т. Источник: журнал «Popular Science Monthly», т. 10, 1877.

Пневматические локомотивы для Сен-Готардского тоннеля. Сен-Готардский железнодорожный тоннель в Лепонтинских Альпах был построен в 1871 – 1881 гг. Его длина 15 км, и через него проходит самый высокий участок Готардской железной дороги в Швейцарии, соединяя Гёшенен с Айроло. Это первый тоннель, который пересёк перевал Сен-Готард. Тоннель двухпутный; ширина колеи нормальная европейская.

Пневматический локомотив №6 Сен-Готардского тоннеля

с прицепленным сзади большим дополнительным резервуаром для

хранения сжатого воздуха, установленным на двух двухосных тележках. 1875 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

На фронтальной части локомотива виден фонарь. «Воздушный» тендер потребовался, чтобы иметь достаточный объём для хранения воздуха в связи с его низким давлением.

При строительстве тоннеля столкнулись с трудностями при удалении породы из длинных штолен. Паровозы не могли использоваться из-за сильно ограниченной вентиляции. Использование лошадей также исключалось из-за их высокой цены и большого потребного количества. Поэтому был проведён первый эксперимент с использованием тяги на сжатом воздухе. Использовалось два обычных паровоза, по одному с каждой стороны тоннеля, но вместо воды котлы были заполнены сжатым воздухом давлением 4 ат. Результаты оказались обнадёживающими, и для этой цели в 1875 г. компанией Schneider-Creusot во Франции были специально построены локомотивы, предназначенные для работы на сжатом воздухе.

Редукционный клапан Рибура.

Первоначально воздух подавался прямо в цилиндры с ограничением степени наполнения путём изменения отсечки. Это оказалось неудовлетворительным, и М. Рибур, инженер, работавший на строительстве Сен-Готардского тоннеля, изобрёл этот клапан для снижения давления. Воздух из основного бака входит в патрубок A. Когда давление, действующее на поршень N при выходе из патрубка D, превышает силу, установленную при закручивании пружины вниз, клапан M перемещается влево, закрывая отверстия m и уменьшая воздушный поток. Из патрубка D воздух проходит в малый резервуар, который гасит колебания, создающиеся выталкиваемым из цилиндров воздухом. По-видимому, имелся также своего рода дроссельный клапан между малым резервуаром и цилиндрами; это до сих пор не подтверждено, но есть нечто, похожее на рукоятку регулятора, находящееся в задней части бака. Редукционный клапан Рибура был важным шагом вперёд, но подобные устройства, скорее всего, применялись ранее Андро и дю Мотай, бароном фон Ратленом и Артуром Парси, если не другими. Источник: журнал «Popular Science Monthly», т. 10, 1877.

Рабочее давление составляло 7,35 ат, что было низким по сравнению с более поздними машинами и давлением в котле паровозов того времени; это, вероятно, было не случайно, поскольку при эксперименте с машинами, которые могут взорваться, естественно было начать с давления, которое считалось безопасным. Следует отметить, что воздушный ресивер имеет больший диаметр, по-видимому, более тонкие пластины и меньшее количество заклёпок, чем более поздние машины высокого давления.

Пневмолокомотивы Бомонта. Подполковник Фредерик Бомонт был назначен для запуска железнодорожной сети в Королевском Арсенале в 1873 г. К 1876 г. он начал проявлять интерес к пневматическим локомотивам как к безопасному способу работы в местах, где хранилось большое количество взрывчатых веществ. К 1877 г. уже работал экспериментальный 18-дюймовый локомотив; это была очень маленькая машина с шестнадцатью основными воздушными резервуарами и четырьмя в качестве запасных.

Королевский Арсенал в то время производил торпеды Уайтхеда по лицензии. Они работали на сжатом воздухе, и в арсенале было компрессорное оборудование, способное заряжать резервуары до 70 ат.

В статье в журнале «Society of Arts Journal» от 18 марта 1881 г. Бомонт сказал: «Самые ранние попытки были ограничены сжатием воздуха при сравнительно низком давлении, скажем, 200 фунтов на квадратный дюйм». Это давление (13,6 ат) было низким по более поздним стандартам, но всё же вдвое больше, чем использовалось в тоннеле Сен-Готард. Бомонт сказал, что это давало ограниченную выходную мощность, при этом всё ещё были проблемы с замерзанием цилиндров двигателя.

Пневмолокомотив Бомонта. 1880 г. Чертёж к патенту США №232438 от 21 сентября 1880 г. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

На этом чертеже показан единственный воздушный резервуар и наклонные цилиндры. Прямоугольное устройство в левом нижнем углу – это небольшой паровой котел с дымоходом, который снабжал паровые рубашки на цилиндрах, чтобы предотвратить их обледенение. Это явно нежелательное осложнение, но Бомонт счёл его необходимым. Патент определил четыре цилиндра, один высокого давления и один низкого давления на каждой стороне рамы, для работы по принципу компаунд.

25 июля 1879 г. был размещён заказ у Мэннинга Уордла для локомотива на сжатом воздухе стандартной колеи с давлением в запасающих резервуарах 70 ат. Его первое публичное испытание состоялось 6 мая 1880 года, когда он успешно прошёл на трассе SER между Дартфордом и Арсеналом Вулиджа. Детали этого локомотива немногочисленны, но, согласно «Dartford Chronicle», двигатель имел шесть цилиндров, снабжавшихся воздухом из «расширительной коробки», которая, предположительно, снижала давление хранения 70 ат до давления двигателя порядка 14 ат. Как эти цилиндры были расположены, и был ли редукторный привод к осям, неизвестно. Но мы знаем, что ход поршня составлял 30 см, и было шесть спаренных колёс диаметром 914 мм. Локомотив известен как Manning Wardle No 761.

Пневмолокомотив Бомонта. 1880 г. Чертёж к патенту США №232438 от 21 сентября 1880 г. С сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Это фронтальная часть локомотива. На каждой стороне рамы имеется один цилиндр E высокого давления, и один цилиндр F низкого давления, работающие по принципу компаунд. Впускные клапаны обеспечивали переменную отсечку, также имелись средства для работы двигателя в простом режиме (без отсечки) для большей тяги при трогании. Элементы L и L являются ножными педалями для управления тормозами.

Нью-Йоркский пневмолокомотив. Построен в 1882 г. На локомотиве размещено четыре стальных цилиндрических баллона диаметром 91 см и объёмом 13 м3, в которых запас сжатого воздуха находился под давлением 42 ат.

Нью-Йоркский пневмолокомотив. Иллюстрация из журнала «La Nature». 1882 г.

Чертёж к американскому патенту №868,560 выданному

Ходжесу на подогреватель окружающим воздухом в октябре 1907 г.

Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Воздух из основного бака 1 проходит во вспомогательный резервуар 2 через редукционный клапан и затем через трубу 21 к цилиндру высокого давления 3. Холодный отработанный воздух от него идёт через трубу 31 к межнагревателю9 5. Там он нагревается окружающим воздухом и затем идёт через трубу 51 к цилиндру низкого давления 4. Холодный выхлоп от него передаётся обратно через трубу 41 к межнагревателю, где проходит через эжектор 54, чтобы увлечь окружающий воздух через межнагреватель.

Чертёж к американскому патенту №868,560 выданному

Ходжесу на подогреватель атмосферным воздухом в 1907 г.

Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

1— основной воздушный бак; 2 – вспомогательный резервуар; 3 – цилиндр высокого давления; 4 – цилиндр низкого давления; 5 – межнагреватель; 54 – эжектор. В практических проектах рожок эжектора был показан по диагонали вверх, по-видимому, чтобы не поднимать пыль с насыпи железной дороги. Патент был продан локомотивной компании Г. К. Портера. Она построила первую систему с двукратным расширением в 1908 г.

Пневмолокомотив Портера с двукратным расширением.

1912 г. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

На этой фотографии хорошо видны трубопроводы. Подогреватель расположен вдоль резервуара со сжатым воздухом; окружающий воздух входит через отверстия в ближнем конце. Рожок эжектора виден в дальнем конце. Эти три трубы устроены как показано на схеме выше. В задней части резервуара два манометра, больший выполнен с клапаном отключения. Маленький рычаг управлял регулятором и большим рычагом позади работавшего тормоза. Этот локомотив первоначально использовался в угольной шахте Кэнмора в Альберте.

Пневмолокомотив Портера с двигателем двукратного

расширения (компаунд) с промежуточным подогревателем

окружающим воздухом, расположенным между цилиндрами высокого и низкого давления. Фото из Технической энциклопедии (Cyclopedia of Engineering), т. 6, Американское Техническое Общество, Чикаго, 1910.

Видны выходной диффузор эжектора, всасывающего окружающий воздух в подогреватель, и торец небольшого вспомогательного резервуара. Подогреватель представляет собой цилиндр с надписью «Susquehanna Coal Co».

Работа пневмолокомотива Портера двукратного расширения. 1914 г.

Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Воздух хранится при высоком давлении в основном воздушном баке и понижается до 17 ат редукционным клапаном, после чего поступает во вспомогательный резервуар, который намного меньше, чем основной бак; его цель состоит в том, чтобы сгладить колебания потока воздуха, вызванного неустойчивым впуском через клапан регулятора в цилиндр высокого давления, в котором воздух расширяется. Вспомогательный резервуар имеет форму длинной трубы, а не компактного бака, потому что при малом диаметре напряжение в металле обруча низкое, длина выбирается соответствующая. Холодный выхлоп от цилиндра высокого давления проходит через подогреватель (названный в схеме межнагревателем) и омывает трубы, через которые втягивается атмосферный воздух; отработанный в цилиндре высокого давления воздух нагревается, увеличивается его объём и повышается эффективность двигателя. Нагретый воздух поступает от подогревателя к цилиндру низкого давления, где он расширяется снова и затем проходит через струю эжектора, которая втягивает наружный воздух через подогреватель.

Чертёж шахтного локомотива троекратного расширения

с промежуточным подогревом окружающим воздухом, с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Два промежуточных подогревателя связаны с эжектором, действующим от выхлопа низкого давления. Цилиндры среднего и высокого давления объединены в тандем. Давление в трёх связанных баллонах 150 ат, во вспомогательном резервуаре 25 – 30 ат.

Пневмолокомотив Портера №104 с двигателем двукратного расширения с промежуточным подогревом окружающим воздухом. 1910 г.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Длинный тонкий цилиндр, который виден перед основным резервуаром, является ёмкостью для воздуха с рабочим давлением 17 ат, которое было редуцировано из давления в основном баллоне 50 ат. Клапан дросселя спереди связан с ручкой, которой управляет машинист со своего места. Также видны регулятор давления, тормозной рычаг, который прижимает тормозные колодки к стальным колёсам, песочница с пневматическим управлением для предотвращения боксования и будка машиниста, которая должна находиться слева – там, где видны рычаги управления.

Воздух проходил через вертикальный подогреватель, нагреваясь до 90°C, и направлялся в цилиндры двигателя через дроссель и редукционный клапан, разработанный для поддержания давления в цилиндрах на уровне 8 – 9 ат. Для того, чтобы подогреватель оставался горячим, по-видимому, сжигался уголь. На локомотиве установлен клапанный механизм Мейера. Возможно применение рекуперативного торможения, когда при замедлении двигатель работает как компрессор, проталкивая воздух обратно в резервуары. Радиус действия порядка 13 км.

Пневматический локомотив Хоэдли – Найта. Джозеф Хоэдли и Уолтер Найт были первыми среди тех, кто применил пневматический двигатель компаунд двукратного расширения. Это должно было напрямую повысить эффективность, как это имело место для паровых машин компаунд, потому что давало возможность подогревать воздух между цилиндрами высокого и низкого давления, а также решало проблемы обледенения.

Патенты Хоэдли-Найта предполагали, что для нагрева воздуха перед цилиндром высокого давления, а также подогрева его между цилиндрами высокого и низкого давления используется горячая вода. Система опробовалась в Нью-Йорке с 1894 по 1899 г., но особого успеха не имела.

Пневматические локомотивы компаунд Ходжеса и Портера. Пневматические локомотивы использовались в угольных шахтах, где из-за опасности взрыва горючих газов нельзя применять огонь, а также в пищевой промышленности и на текстильных фабриках, где дым и копоть могли испортить продукцию.

Чарльз Б. Ходжес изобрёл двигатель двукратного расширения, использующий подогреватель между цилиндрами высокого и низкого давления, чтобы подогреть частично расширенный сжатый воздух. Этот воздух пропускался через теплообменник, в котором он нагревался окружающим воздухом, всасываемым эжектором с помощью отработанного воздуха. Аналогичные эжекторы, действующие на отработанном паре, широко применялись для создания вакуума, используемого в тормозных системах паровозов. Благодаря изобретению Ходжеса отпадала необходимость в применении нагревателей, работающих за счёт сжигания некоторого количества кокса, и при этом не добавлялось никаких новых движущихся частей. Воздух был единственным используемым рабочим телом. Была достигнута существенная экономия, доходящая до 60%.