Глава 2 ТОПКА

Паровозный котел (рис. 9) состоит из трех основных частей: топки А, цилиндрической части Б и дымовой камеры В. В котле располагаются дымогарные и жаровые трубы, гарнитура, арматура, паропровод, регулятор, пароперегреватель и другое вспомогательное оборудование.
В топке в результате сжигания топлива выделяется тепло, которое частично используется для приготовления пара. В цилиндрической части котла топочные газы продолжают отдавать тепло котловой воде, омывающей трубы, а Дакже пару, протекающему по пароперегревателю.

Количество воды в котле должно быть таким, чтобы она закрывала потолок огневой коробки, жаровые и дымогарные трубы. ПлоЩадь открытой поверхности воды в котле называют зеркалом испарения. Образующийся в котле пар заполняет пространство над поверхностью воды (зеркалом испарения), называемое паровым объемом, а пространство котла, заполненное водой, — водяным объемом.

Паровой объем и площадь зеркала испарения котла на различи ных сериях паровозов неодинаковы. Например, на паровозе Л паровой объем равен 5,36 м³, площадь зеркала испарения 14,1 м², а на паровозе СО соответственно — 4,7 м³ и 13,2 м².

Уровень воды в котле всегда колеблется в некоторых допустимых пределах в зависимости от интенсивности образования пара и пополнения котла водой. Колебание уровня воды в котле вызывает некоторое изменение парового объема и величины зеркала испарения: с повышением уровня воды паровой объем и зеркало испарения уменьшаются, с понижением уровня — увеличиваются.
Поверхность огневой коробки, дымогарных и жаровых труб, омываемая водой, называется испаряющей поверхностью нагрева котла. Эта поверхность и наружная поверхность элементов пароперегревателя, расположенных в жаровых трубах, составляют полную или общую поверхность нагрева котла. Чем мощнее паровоз, тем больше размеры котла и поверхность его нагрева. Испаряющая поверхность нагрева котла основных серий паровозов указана в § 5. Все современные паровозы оборудованы пароперегревателями с поверхностью нагрева от 100 до 150 м², и поэтому общая поверхность нагрева котла значительно возрастает.

Чтобы обеспечить паровую машину паровоза необходимым количеством пара определенной температуры и давления, котел должен иметь достаточную для этого паропроизводительность (мощность).

Паропроизводительностью называют способность котла приготовлять в единицу времени определенное количество пара рабочего давления. При этом потребное количество пара в заданных параметрах должно быть получено с минимальной затратой топлива. Паропроизводительность определяется величиной испаряющей поверхности нагрева и форсировкой (паронапряжением) котла. Форсировкой котла называют количество пара (в кг), получаемое с единицы площади (1 м²) испаряющей поверхности нагрева в единицу времени (1 ч). Современные паровозы имеют расчетные форсировки поверхности нагрева котла до 80 кг/м²-ч (табл. 1).

Величина форсировки котла может изменяться в зависимости от условий работы паровоза и в свою очередь зависит от площади колосниковой решетки и ее напряженности, т. е. количества килограммов угля или мазута, которое может быть сожжено на 1 м² поверхности колосниковой решетки в течение 1 ч, а также от испари-тельности топлива — количества килограммов пара, которое может быть получено при сгорании 1 кг топлива. Кроме того, на паропроизводительность котла оказывают влияние еще объем топки, объем парового пространства, размер поверхности нагрева пароперегревателя и др.

Топка котла (рис. 10) состоит из огневой коробки и кожуха. Огневая коробка представляет собой камеру, где непосредственно происходит сжигание топлива; кожух охватывает огневую коробку снаружи.

Топка является наиболее ответственной частью котла. При сгорании топлива выделяется большое количество тепла и температура горения достигает 1600°С, вследствие этого в области топки происходит наибольшее парообразование.
В нижней части топки расположена колосниковая решетка. В задней стенке топки имеется так называемое шуровочное отверстие, через которое забрасывают топливо на колосниковую решетку.

Огневая коробка состоит из потолка 3, левого и правого боковых листов 12, заднего листа 10 и трубной решетки 15. В трубной решетке имеются отверстия, в которые вставляют и укрепляют задние концы дымогарных и жаровых труб.

Кожух топки состоит из потолка 2, лобового листа 7, ухватного листа 14 и двух боковых листов 1. Ухватный лист предназначен для соединения кожуха топки с цилиндрической частью котла. На некоторых паровозах он охватывает барабан котла по всей окружности и в этом случае называется смычным листом.

В топке наклонно установлены циркуляционные трубы 6 и свод 13. Чтобы не допустить прогиба листов топки от давления пара, огневая коробка и кожух топки по всей площади соединены между собой стальными стержнями — связями 5 и 8.
Лобовой лист кожуха укреплен к потолку при помощи наклонных тяжей 4. В нижней части огневая коробка и кожух соединены топочной рамой 9, на уровне которой расположена колосниковая решетка.

Различают топки с плоским потолком кожуха и огневой коробки и радиальные. Топки с плоским потолком (рис. 11) имеют больший объем парового пространства над огневой коробкой, чем имели топки с радиальным кожухом маломощных паровозов.

На всех паровозах топки с плоским потолком кожуха и огневой коробки вследствие значительной их ширины размещают над рамой паровоза. Недостатком топок такого типа является то, что они требуют более сложных и тяжелых креплений плоского потолка кожуха. Кроме того, сложным в изготовлении получается смычной лист кожуха, соединяющий потолок кожуха с цилиндрической частью котла.
Радиальные топки (рис. 12) применяют на всех современных паровозах. Потолок кожуха топки описывают радиусом, равным радиусу цилиндрической части котла. Потолок огневой коробки описывают значительно большим радиусом, равным порядка 3500 мм.

В радиальной топке потолочные связи, соединяющие потолок огневой коробки с кожухом, располагают веерообразно по радиусам огневой коробки, перпендикулярно к потолку ее; поперечные связи кожуха, как правило, не ставят. Радиальные топки имеют большую ширину внизу и также располагаются над рамой паровоза.

Современные радиальные топки отличаются более легкой и вместе с тем более прочной и эластичной конструкцией по сравнению с топками старых типов. Радиальную топку имеют котлы паровозов Л, ФД, Е^а, СО, ЛВ и П36.

Огневая коробка топок паровоза ФД (рис. 13) имеет так называемую камеру догорания, которая является продолжением огневой коробки внутри цилиндрической части котла. При наличии камеры догорания число листов огневой коробки увеличивается: добавляются ухватный лист и нижний лист камеры догорания, предназначенной для улучшения сгорания топлива и уменьшения уноса из топки несгоревших горючих частиц. На паровозах с камерами догорания также несколько снижается истирание буртов жаровых и дымогарных труб уносимыми частицами угля и шлака. Камера догорания на паровозах с длинными котлами дает возможность уменьшить длину жаровых и дымогарных труб.

Потолок огневой коробки сделан с уклоном назад, т. е. с понижением уровня на 1—5 мм на каждые 100 мм длины, чтобы предохранить его от оголения вследствие перемещения массы воды в переднюю часть котла при движении паровоза по спуску и при торможении поезда. На большинстве паровозов, чтобы длина потолочных связей в каждом продольном ряду была одинакова, потолочный лист кожуха топки изготовлен параллельно потолку огневой коробки.

Боковые стенки огневой коробки и кожуха радиальной топки в поперечном разрезе всегда имеют наклон (снизу вверх) к центру котла, так как ширина топки больше, чем диаметр цилиндрической части, и для сопряжения листов боковые листы расположены с наклоном. Наклон боковых стенок сделан так, что водяной промежуток между стенкой огневой коробки и кожуха увеличивается кверху, чем облегчается выход пара от стенок огневой коробки, а также создается удобство для промывки и наблюдения за стенками топки.

Лобовой лист кожуха топки современных паровозов изготовлен наклонным для удобства размещения «а нем арматуры и увеличения объема будки машиниста.

Огневую коробку изготовляют из котельной стали марки 15К, а кожух топки и цилиндрическую часть котла — из котельной стали марки 20К (ГОСТ 5520—69). Толщина стальных листов огневой коробки 10 мм, за исключением задней (трубной) решетки, которая имеет толщину 14—15 мм.

В зависимости от типа топки, котлового давления и формы листов толщина лобового листа кожуха топки бывает 13—15 мм, ухватного 18—22, бокового 13—14 и потолочного 14—18 мм.

Сложные по форме листы огневой коробки и кожуха топки (лобовые, ухватные, трубной решетки, задней стенки) изготовляют после предварительной вырезки штамповкой в горячем состоянии. Остальные части огневой коробки и кожуха топки изготовляют из листов вырезкой, и, если это нужно, гибкой на вальцах.

Соединение листов огневой коробки и кожуха топки на старых паровозах производилось при помощи заклепок. Впервые сварка в котлах паровозов была применена советскими инженерами на паровозоремонтных заводах. Начиная с 1933 г. огневые коробки котлов паровозов изготовляли сварными. Позже стали делать цельносварной всю топку. Сварку производили автоматическим способом под слоем флюса. В паровозных котлах современных паровозов широко применена электрическая сварка и почти Дее заклепочные швы заменены сварными. Применение сварки дало возможность значительно облегчить труд котельщиков, уменьшить объем работ при изготовлении и ремонте котла, а также снизить его вес.

При сварке огневых коробок и кожухов применяют стыковые сварные швы. Кромки листов, подлежащих сварке, подвергают механической обработке на станках или пневматическим зубилом (рис. 14). Раскрытие шва располагают в сторону огня в огневых коробках и наружу — в кожухе топки, что обеспечивает удобство выполнения сварочных работ и наблюдения за швами в эксплуатации. Сварочный шов делают последовательной наплавкой нескольких слоев металла. После этого со стороны, обратной раскрытию шва, производят подрубку для удаления шлаков и раковин с последующей заваркой.

Сварные швы огневой коробки, как правило, расположены между рядами связей. При сварке паровозных котлов применяют электроды типа Э-42 (ГОСТ 9467—60).

В настоящее время швы сварных соединений как для ручной сварки, так и для автоматической и полуавтоматической стандартизованы (ГОСТ 5264—69 и 8713—70). Согласно новым стандартам подготовка кромок и сварные швы по своим размерам и допускам несколько отличаются от тех, которые применялись при постройке паровозов.

Огневая коробка соединена с кожухом топки в нижней части при помощи топочной рамы (рис. 15). Ширина топочной рамы в известной степени обусловливает величину водяных промежутков между стенками огневой коробки и кожуха топки. Чем больше водяные промежутки топки, тем лучше циркуляция и парообразование, тем легче производить промывку котла.

На паровозах малой мощности ширина топочной рамы составляет 70—80 мм, на паровозе ФД—100 мм, а в передней части — 125 мм. В передней и задней частях топочные рамы имеют выступы-каблучки для присоединения к ним опор топки. Топочные рамы отливают из стали с последующей обработкой на станках.

Соединение огневой коробки и кожуха топки с топочной рамой на паровозах Л, ЛВ, Е^а и П36 произведено однорядным заклепочным швом. Для достижения при этом необходимой плотности кромки листов огневой коробки и кожуха приварены к топочной раме по всему периметру. Ввиду того что по углам топки в месте соединения с рамой трудно создать требуемую плотность, в котлах паровозов других серий в этих местах также производят обварку.

Непосредственное соединение огневая коробка и кожух топки имеют по шуровочному отверстию. Раньше это соединение осуществляли заклепочным швом внахлестку или с прокладкой специального стального кольца. На современных паровозах шуровочное отверстие образовано путем сварки выштамповок задней стенки топки и лобового листа кожуха. На всех паровозах старых серий заклепочные соединения шуровочного отверстия при ремонте заменены сварными. Чтобы предохранить стенку огневой коробки от повреждения кочегарным инструментом, в шуровочное отверстие (рис. 16) вставляют и приваривают защитный козырек 1. Для укрепления топочных дверец с наружной стороны приваривают рамку 2.

На старых паровозах шуровочное отверстие изготовляли круглой формы диаметром 380—400 мм. В дальнейшем размер отверстия был несколько увеличен и ему была придана овальная форма.

Паровозы, оборудованные механическим углеподатчиком, имеют шуровочное отверстие прямоугольной формы (см. рис. 10) и увеличенных размеров (до 650X60 мм) для возможности размещения головки углеподатчика и ведения отопления ручным способом (паровозы ФД, Л, ЛВ).

Для обеспечения жесткости стенок огневой коробки и кожуха топки, испытывающих давление пара, ставят специальные крепежные детали: боковые, потолочные и лапчатые связи, тяжи и полки жесткости (контрфорсы). Связи изготовляют из мартеновской стали марок МСт2 и МСтЗ (ГОСТ 380—71).

Боковая топочная связь (рис. 17) представляет собой жесткий стержень диаметром 19—20 мм. Для установки связи в стенке огневой коробки и кожуха сверлят отверстия диаметром на 1 мм больше диаметра связи и затем связь вваривают в эти стенки. Для вварки связей применяют электроды типов Э-42, Э-46. С торцов связи сверлят контрольные отверстия диаметром 5—8 мм на глубину до 40 мм. В случае обрыва связи струя воды и пара выходит из контрольного отверстия и сигнализирует об ее обрыве. Обрыв связей происходит главным образом в месте заделки их в стенки от перемещения стенок огневой коробки относительно кожуха топки вследствие различных по величине температурных удлинений этих частей топки. Особенно большая разница в температурах стенок огневой коробки и кожуха бывает при растопке котла. Чаще всего обрыв связей происходит у более жестких стенок кожуха топки.

Согласно Инструкции по наплавочным и сварочным работам при ремонте паровозов размеры швов вварки связей несколько изменены и выход концов связи над стенкой топки и стенкой кожуха уменьшен с 8 до 6 мм. При рейонте котлов по мере разработки отверстий под связи в стенках топки ставят связи с головками. При этом диаметр головок принимают в зависимости от величины отверстий в стенках огневой коробки и кожуха.

Раньше в топках паровозных котлов применяли нарезные связи, которые ввертывали в стенки кожуха топки и огневой коробки, а затем расклепывали для образования головок. Такие связи плохо зарекомендовали себя в эксплуатации: наблюдались частые случаи ослабления и течи их по резьбе; они трудоемки в изготовлении и постановке. Поэтому перешли на более простые и надежные ввар-ные связи.

Кроме описанных выше жестких боковых связей, в топках паровозов устанавливают подвижные связи (рис. 18). Подвижную связь 1 изготовляют из стержня такого же диаметра, как и жесткую связь; с одной стороны ее выштамповывают шаровую головку. Подвижную связь устанавливают шаровой головкой в сторону кожуха топки. В кожухе топки делают углубление, к которому приваривают втулку 2, являющуюся опорой шаровой головки связи. После установки связи втулку закрывают пробкой 3 на резьбе. Плотность посадки пробки достигают за счет прижатия конусной кромки ее к острой грани, образованной внутри втулки. Другой конец связи, имеющий контрольное отверстие, вваривают в стенку огневой коробки. Наличие шаровой головки делает связь подвижной со стороны кожуха. При перемещениях листов топки от температурных деформаций связь имеет возможность несколько поворачиваться в сферической опоре втулки и тем самым предотвращается ее обрыв.

Подвижные связи ставят в зоне наибольших смещений стенок огневой коробки относительно кожуха, в местах, наиболее удаленных от топочной рамы, ближе к загибам стенок огневой коробки и в подрешеточной части. Большое количество подвижных связей ставят на мощных паровозах, имеющих топки больших размеров.

На паровозах СО и Л частично применены подвижные связи, установленные без втулок (рис. 19). В стенке кожуха делают сферическое углубление, в которое устанавливают шаровую головку связи, и закрывают привариваемым к стенке кожуха глухим колпачком. Недостатком конструкции связи без втулки является то, что для осмотра шаровых головок связей колпачки необходимо срубить. Кроме того, наблюдается некоторый износ листов кожуха в сферических углублениях для головок связей.

Потолочные связи, или как их называют также анкерные болты, служат для укрепления потолка огневой коробки и кожуха топки. По сравнению с боковыми связями они имеют большую длину и больший диаметр (22—24 мм). Эти связи бывают жесткие и подвижные; соединение их с листами производят сваркой.

Потолочные связи ставят перпендикулярно к потолку огневой коробки, поэтому в потолке кожуха их располагают с некоторым перекосом в зависимости от кривизны кожуха (см. рис. 13). Для предотвращения обрыва связей, косо заделанных в листе кожуха, их ставят на приварных втулках. Такая конструкция потолочных связей, разработанная ЦНИИ, применена на паровозах Л и П36.

Подвижные потолочные связи ставят в местах, наиболее опасных в отношении излома: в двух-трех передних рядах около трубной решетки и в двух-трех задних рядах около лобового листа. В радиальных топках их располагают также по бокам на загибах потолка огневой коробки и кожуха топки.

Подвижная потолочная связь имеет те же конструктивные формы, что и боковая, отличаясь от нее лишь длиной и диаметром стержня. Шаровую головку с втулкой ставят со стороны кожуха; другой конец связи вваривают в потолок огневой коробки.

Лапчатыесвязи (рис. 20) применяют для укрепления подрешеточной части задней трубной решетки. Один конец связи вваривают в подрешеточную часть трубной решетки, а другой ввертывают в специальную лапу 2, приклепанную к барабану цилиндрической части котла. Связь имеет контрольное отверстие, которое проходит почти по всей ее длине.

Лапчатая связь котла паровоза ФД, имеющего камеру догорания, конструктивно выполнена иначе Вместо лапы здесь имеется тяж, который при помощи гайки соединен со стойкой, приклепанной к барабану цилиндрической части котла

Тяжи (рис. 21) предназначены для дополнительного крепления топок с плоскими потолками. Изготовляют их из стали марки СтЗ и укрепляют к листам кожуха электрооваркой.
Контрфорсы (рис. 22) служат для укрепления верхней части лобового листа и соединения его с потолком Контрфорс представляет собой горизонтальную полку жесткости, изготовленную из котельного листа или двух склепанных листов, которую угольниками или отогнутыми фланцами приклепывают к лобовому и боковым листам кожуха топки. Кроме контрфорса, ставят раскосные листы, соединяющие лобовой лист с потолком кожуха. Такое укрепление придает достаточную жесткость этому месту.

На паровозах, имеющих радиальную топку, укрепление верхней части лобового листа осуществляется продольно-наклонными тяжами (рис. 23). Такие тяжи поставлены на паровозах ФД, Е^а, Л, ЛВ и П36. К лобовому листу кожуха топки приклепывают тавровые кронштейны 1 и при помощи валиков 2 к ним прикрепляют тяжи 3, имеющие для этой цели проушины. Другой конец тяжа, сделанный в виде лапы, приклепывают к потолку кожуха топки. Эта более эластичная конструкция обеспечивает надежное укрепление лобового листа.

На некоторых паровозах, например, серии Э, кроме контрфорса, лобовой лист кожуха укрепляют также продольными тяжами.

Для циркуляции воды, необходимой в паровозном котле для лучшего парообразования, в огневых коробках над слоем горящего топлива устанавливают циркуляционные (кипятильные) трубы (рис. 24). Образовавшийся пар вместе с водой выходит через верхние концы циркуляционных труб, выведенных в водяной промежуток между задней стенкой огневой коробки и лобовым листом кожуха, а через нижние концы труб поступают новые порции воды, т. е. происходит непрерывное течение воды через трубы (циркуляция). Помимо улучшения циркуляции воды в котле, циркуляционные трубы служат опорой для кирпичного топочного свода.

В зависимости от размеров топки в огневой коробке устанавливают три или четыре циркуляционные трубы с внутренним диаметром 79 мм. Концы труб развальцовывают и отбуртовывают со стороны воды, а затем приваривают со стороны огня к стен* кам огневой коробки. Циркуляционные трубы подвержены воздействию высокой температуры в топке, поэтому их изготовляют из жаростойкой хромомолибденовой стали марки 15ХМ (ГОСТ 4543—71). В стенках кожуха топки против циркуляционных труб имеются от* верстия с пробками, через которые можно производить осмотр и очистку этих труб.

Топочныйсвод (арку) выкладывают из огнеупорного фасон» кого кирпича. Свод удлиняет путь газов в огневой коробке, что способствует более полному догоранию летучих веществ топлива и уменьшению уноса.

Кроме того, нагретый свод защищает жаровые и дымогарные трубы от действия холодного воздуха, который попадает в топку через слой топлива и шуровочное отверстие. Длина свода состав» ляет примерно 50% длины колосниковой решетки (при. угольном отоплении).
На. паровозах применяют также поперечные циркуляторы, имеющие Т-образную форму. Устанавливают их поперек топки, соединяя боковые водяные промежутки топки с пространством над по* толком огневой коробки. Поперечные циркуляторы были поставлены, например, на паровозе П36. Установка таких циркуляторов обеспечивает хорошую циркуляцию, а также предохраняет боковые стенки топки от перегрева и потолок огневой коробки от оголения при низком уровне воды в котле в тех случаях, когда вода уходит в переднюю часть котла при движении паровоза по спуску или при резком торможении.

Поперечные циркуляторы, служащие также опорой для кирпичного свода, более сложны в изготовлении, чем циркуляционные трубы. В эксплуатации у них возникают трещины в сварных швах и они обгорают. При заводском ремонте паровозов П36 поперечные циркуляторы заменяют продольными циркуляционными трубами.