Kocioł

Zasadnicza konstukcja kotła parowozowego wywodzi się od kotła zaprojektowanego przez Stephensona dla parowozu Rocket i nie zmieniła się zbytnio do dzisiaj, uległa jedynie różnym modyfikacjom, dzięki czemu zwiększyła swoją moc i wymiary. W budowie kotla można wyróżnić trzy zasadnicze elementy:

Stojak

Stojak, czyli kocioł skrzyniowy, mieści w sobie skrzynię ogniową. Górną część skrzyni ogniowej stanowi sklepienie paleniska, w nowszych konstrukcjach oparte na rurach cyrkulacyjnych. Od dołu skrzynię ogniową zamyka ruszt, pod którym umieszczony jest popielnik. Przód stojaka stanowi ściana sitowa, łącząca skrzynie ogniową z walczakiem.

Z punktu widzenia odporności na wysokie ciśnienie i temperaturę, kształt stojaka jest zdecydowanie niekorzystny. Wymusiło to jego usztywnienie, poprzez zastosowanie setek zespórek łączących ściany skrzyni ogniowej z płaszczem stojaka. W większych kotłach, w których są zbyt duże różnice rozszerzalności cieplnej płaszcza stojaka i skrzyni ogniowej, stosowano w newralgicznych miejscach zespórki przegubowe lub kotwy ruchome.

Konstrukcja stojaka oparta na zespórkach była wystarczająco skomplikowana by zmotywować konstruktorów do poszukiwania rozwiązań prostszych.

Alfred Belpaire skonstruował stojak o płaskim sklepieniu skrzyni ogniowej, co znacznie uprościło system zespórek. Kocioł taki był rozpowszechniony głównie w Wielkiej Brytanii, Belgii i Francji, ale stosowany był m.in. też w Niemczech (np seria 58 - na PKP Ty1) i w Polsce (tylko seria Ty23). Parowozy z kotłem Belpaire'a wyróżniały się charakterystycznym prostopadłościennym kształtem stojaka.

Inną próbą uproszczenia był kocioł skonstruowany przez Johana Brotana. Jego cechą charakterystyczną był brak zespórek, zastąpionych ścianami paleniska wykonanymi z pionowych rurek połączonych na górze i na dole cylindrami zbiorczymi. Ten typ kotła nie był zbyt rozpowszechniony ze względu na problemy z uszczelnieniem rurek.

Typy kotłów:


Kocioł klasyczny


Kocioł Belpaire'a


Kocioł wodnorurkowy Brotana

W Wielkiej Brytanii stosowano także kotły kopulaste, których kopuły pełniły funkcję usztywnienia i mieściły w sobie zbieralnik pary.

Skrzynia ogniowa (palenisko) była z początku wykonywana z miedzi, jako że metal ten jest dobrym przewodnikiem ciepła i jest mało wrażliwy na zmiany temperatury. W czasie II wojny światowej miedziane skrzynie ogniowe zaczęto zastępować stalowymi, ze względu na brak metali kolorowych. Dopiero pod koniec rozwoju konstrukcji parowozu stalowe skrzynie ogniowe zaczęły być uważana za pełnowartościowy zamienik miedzianych. Dzięki większej wytrzymałości mechanicznej mogły być cieńsze, ponieważ gorzej przewodziły ciepło. Ich wadą jest jednak wrażliwośc na gwałtowne zmiany temperatury (dlatego palenisko Ol49-71 zostało uszkodzone poprzez wygaszanie parowozu za pomocą węża z wodą).

Z płaszczem stojaka skrzynia ogniowa łączy się za pomocą wieńca stopowego w dolnej części, wieńca drzwiczkowego wokół otworu drzwiczkowego oraz zespórek na bokach i podniebieniu. Oczywiście, aby zapewnić odpowiednią sztywność paleniska, zespórki muszą być odpowiednio liczne i odpowiednio gęsto rozmieszczone. Ponieważ wraz ze zmianami temperatury zmieniały się również rozmiary skrzyni ogniowej, co powodowało pękanie zespórek, zaczęsto stosować zespórki przegubowe oraz kotwy ruchome, usztywniające newralgiczne miejsca, takie jak np. górne naroża podniebienia. W celu odciążenia zespórek zaczęto też stosować ściągi poprzeczne łączące ze sobą boczne ściany płaszcza kotła i ukośne ściągi usztywniające ścianę drzwiczkową.

Z początku kształt paleniska zależał od tego, czy było umieszczone między kołami osi wiązanych parowozu czy też pomiędzy ostojnicami wewnętrznej ostoi. Od tego zależała też szerokość (a więc powierzchnia) rusztu. Ruszt i popielnik utrudniały umieszczenie osi napędnych w parowozach z kołami o dużej średnicy. Powodowało to niepotrzebne wydłużenie ostoi, co z kolei było przyczyną niespokojnej jazdy parowozu. Kolejnym problemem było spalanie mniej kalorycznego paliwa (gorszego węgla lub drewna), ponieważ wymagało to zwiększenia powierzchni rusztu. Można byo tego dokonać na dwa sposoby: wydłużając palenisko do przodu (co skutkowało skróceniem walczaka i zmniejszeniem jego powierzchni ogrzewalnej) lub poszerzając palenisko. Tego drugiego również można było dokonać na dwa sposoby: umieszczając pod paleniskiem jedną lub więcej osi tocznych, lub podnosząc kocioł na tyle wysoko, by cały stojak znalazł się nad osiami napędnymi lub ostoją.

W niektórych parowozach, zwłaszcza tych nowocześniejszych, wydłużono palenisko do przodu, do walczaka bez wydłużania rusztu, dzięki czemu powstała komora spalania. Umożliwiła ona dokładniejsze spalanie paliwa i gazów, przez powiększenie powierzchni ogrzewalnej kotła ogrzewanej płomienicami kosztem powierzchni pośredniej, czyli tej która dotyka gorących gazów. Komora spalania chroni również tylną ścianę sitową przed zbyt dużym nagrzaniem.


Palenisko z komorą spalania

Budowa skrzyni ogniowej z komorą spalania przedstawia się następująco:

Skrzynia ogniowa
  1. Ściana sitowa
  2. Dolna część komory spalania
  3. Ściana podgardlana
  4. Podniebienie
  5. Ściany boczne
  6. Ściana drzwiczkowa

Powierzchnię ogrzewalną kotła zwiększano też stosując rury cyrkulacyjne, które przebiegają przez palenisko łącząc ze sobą boczne komory wodne stojaka. Okazało się też że ścianę sitową, w której umocowane są końcówki rur ogniowych należy chronić przed zbytnim nagrzaniem. Zrealizowano to za pomocą sklepienia z cegiel szamotowych. Sklepienie to wydłuża drogę spalin, poprawiając tym samym spalanie.


Wnętrze skrzyni ogniowej parowozu Ty246. W górnej części widoczne rury cyrkulacyjne.

Wielkość rusztu zależy od tego jakie paliwo jest spalane. Parowozy spalające kiepskie paliwo (niskokaloryczny węgiel, drewno, lignit) dość szybko otrzymały duże ruszty, wymagające zasilania za pomocą specjalnego mechanicznego podajnika. W krajach gdzie nie brakowało dobrego węgla, wąskie ruszty utrzymały się znacznie dłużej. Aby rozwiązać problem spiekania żużla i ułatwić obrządzanie, zastosowano ruszty wstrząsane, w których rusztowiny można było przechylać za pomocą specjalnej dźwigni.
Specjalne paleniska miały parowozy spalające paliwa płynne (np olej opałowy). Nie potrzebowały one rusztu, za to miały w skrzyni ogniowej zamontowane palniki, a całe palenisko było dokładnie zabezpieczone przed przegrzaniem specjalną wymurówką z cegły szamotowej.

Ważnym ze względu na bezpieczeństwo urządzeniem są korki topliwe umieszczone w suficie paleniska. Mają one postać wydrążonych śrub wypełnionych ołowiem. Kiedy poziom wody w kotle obniży się odsłaniając podniebienie (górną część skrzyni ogniowej), ołów zostanie roztopiony i głosnym sykiem wpadając do paleniska, a przez otwór dostanie się para i ugasi ogień. Ma to na celu zabezpieczenie kotła przed deformacją ścian skrzyni ogniowej, która w drastycznych wypadkach może skończyć się eksplozją kotła.

Walczak


Przekrój przez walczak. Widoczne rury ogniowe i przepustnica w zbieralniku pary

Konstrukcja walczaka jest bardzo prosta. Jest to poziomy, cylindryczny kocioł. Składa się on zwykle z dwóch dzwon wykonanych ze zwiniętej blachy o grubości od 17 do 25 mm. Blachy kotła były ze sobą nitowane, a każdy szew był uszczelniany spawem. Szwy podłużne były poddane większym działaniu większych sił niż poprzeczne, dlatego też wykonywano je stosując 4 rzędy nitów, podczas gdy szwy poprzeczne miały 2 rzędy. Dopiero w niektórych nowszych parowozach zaczęto wykonywać kotły jako całkowicie spawane (np Ty51).

Z obu stron walczak jest ograniczony ścianami sitowymi, w których umieszczone są rury ogniowe. Dzielą się one na dwa rodzaje: płomieniówki (rury o małym przekroju) oraz płomienice (o większej średnicy), które stosowane są tylko w parowozach na parę przegrzaną, jako że umieszczone w nich są mniejsze rurki zwane elementami przegrzewacza. Rury ogniowe stanowią wymiennik ciepła i usztywnienie ścian sitowych. Zakładane są przez wsunięcie ich od strony dymnicy, tak więc ich przekrój zmniejsza się w kierunku tylnej ściany sitowej. Rury ogniowe są też lekko pochylone ku tyłowi, dla ułatwienia przepływu spalin.

W górnej części walczaka znajduje się zbieralnik pary, a w nim przepustnica, czyli urządzenie sterujące dopływem pary do silnika parowego. Przestrzeń między ścianami sitowymi i wokół paleniska jest wypełniona wodą co najmniej tak wysoko, żeby powyżej podniebienia znajdowała się co najmniej stumilimetrowa warstwa wody. Wysokość podniebienia jest oznaczona na specjalnej tabliczce umocowanej na stojaku kotła w widocznym miejscu w budce maszynisty. Pozostałą część wnętrza kotła wypełnia para.

Dymnica

Jest to przednia część kotła, od przodu zamykana drzwiami. W jej górnej części umieszczony jest komin, a na dole, w osi komina - dysza. Oba elementy stanowią urządzenie ciągowe. Z reguły jest ono otoczone siatką pełniącą rolę odiskiernika. Zadaniem urządzenia ciągowego jest wytwarzanie podciśnienia w dymnicy, aby wymusić przepływ spalin przez rury ogniowe i tym samym zapewnić ogrzewanie wody w kotle. Jest to stosunkowo łatwe, podczas jazdy parowozu, kiedy ruch powietrza nad kominem wytwarza podciśnienie. Jednak podczas postoju parowozu trzeba wytworzyć je sztucznie, do czego służy dmuchawka. Dmuchawka ma postać rury zwiniętej w okrąg i umieszczonej współosiowo z kominem. W rurze tej są otwory skierowane ku górze, przez które wypuszczana jest para pod odpowiednim ciśnieniem, która "wyciąga" spaliny z dymnicy.

Od przodu dymnica zamykana jest drzwiami, których średnica musi umożliwiać swobodny dostęp do wnętrza celem usunięcia leszu lub wyciągnięcia rur kotłowych, elementów przegrzewacza czy też dokonania innych napraw. Drzwi dymnicy muszą szczelnie przylegać do jej przedniej ściany, ponieważ wszelkie nieszczelności i zasysanie powietrza z zewnątrz ujemnie wpływają na ciąg, a co za tym idzie, na spalanie i ogólną sprawność parowozu. Aby zapewnić szczelność zamknięcia drzwi dymnicy w konstrukcjach parowozów przedwojennych stosowało się centralne zamknięcie mające postać sworznia przyciskanego śrubą do poprzecznicy, co zapewniało mocne przyleganie drzwi do przedniej ściany. Oprócz tego na obwodzie drzwi dymnicy umieszczone są rygle, które przekręcane po płaszczyźnie klinowej dociskają drzwi jeszcze mocniej. W parowozach wojennych i powojennych z centralnego zamknięcia zrezygnowano, pozostawiając jedynie rygle.

Dolna część dymnicy wyłożona jest osłoną dna dymnicy, czyli blachą, której zadaniem jest ograniczenie niebezpieczeństwa przepalenia płaszcza dymnicy oraz wypaczenia drzwi przez zbierający się w niej gorący lesz.

Poza wyżej wymienionymi urządzeniami, w dymnicy umieszczona jest rówież skrzynia przegrzewacza pary (w parowozach na parę przegrzaną) i - w niektórych konstrukcjach - przepustnica.

Wnętrze dymnicy parowozu Ty45:

  1. rura parowlotowa
  2. siatka odiskierna
  3. komin
  4. elementy przegrzewacza

Pozioma rura widoczna na pierwszym planie to zakrapiacz dymnicy.

Mocowanie kotła do ostoi

Ponieważ kocioł podczas pracy zmienia swoje rozmiary, co jest skutkiem rozszerzalności termicznej metalu, nie da się go sztywno przymocować do ostoi, która powinna utrzymywać cały czas te same wymiary.

Problem odpowiednio mocnego, a jednocześnie elastycznego połączenia kotła z ostoją rozwiązano więc następująco:
Dymnica jest sztywno umocowane do stojaka poddymnicowego za pomocą pasowanych śrub, a stojak oparty jest na slizgach lub rolkach, co umożliwia wydłużanie się i skracanie kotła. Pomiędzy stojakiem a dymnicą kocioł wspiera się na blachach wahadłowych umocowanych do wsporników na ostoi, które mają możliwość odchylania się, dzięki czemu kocioł może zmieniać swoją długość. W niektórych parowozach (Os24, Tr203) kocioł oparty był tylko na stojaku poddymnicowym i blachach wahadłowych.

Umocowanie przedniej części kotła do ostoi pokazuje poniższy rysunek:

Mocowanie kotła do ostoi

  1. Stojak poddymnicowy
  2. Blacha wahadłowa
  3. Wspornik belki zderzakowej

Osprzęt kotła

Osprzęt kotła stanowią następujące urządzenia: