Locomotivă cu abur compusă (există și o variantă compusă de locomotivă cu abur ) - o locomotivă cu abur care utilizează o mașină care funcționează pe un sistem compus (cu expansiune dublă sau mai mare a aburului), care, în comparație cu cele simple, are o eficiență mai mare. Începând cu anii 1880, locomotivele cu abur compuse au fost produse în serie pentru căile ferate din Europa (Austria-Ungaria, Marea Britanie, Germania, Rusia, Franța) și SUA, iar mai târziu Oceania ; în anii 1890 ei reprezentau deja cea mai mare parte a flotei de locomotive din aceste țări. Aceste locomotive cu abur aveau în principal mașini cu doi și patru cilindri cu expansiune dublă a aburului.
Datorită apariției supraîncălzitoarelor , care au făcut posibilă creșterea eficienței într-un mod mai ieftin, producția de locomotive cu abur cu sistem compus s-a oprit aproape complet după 1900, deoarece la funcționarea cu abur supraîncălzit , economiile obținute erau relativ mici și nu puteau. să compenseze întreținerea și reparațiile mai costisitoare .
La o locomotivă cu abur compusă clasică, aburul din cazan pătrunde într-un cilindru de înaltă presiune , unde are loc un proces termic , când aburul crește în volum (împingerea pistonului), în timp ce presiunea scade. Se formează așa-numitul abur mototolit , care apoi intră în cilindrul de joasă presiune , care are un volum mult mai mare, unde procesul de expansiune se repetă din nou. Astfel, aburul este folosit de două ori, ceea ce, în comparație cu locomotivele cu abur convenționale, ajută la reducerea consumului de abur, și deci de apă și combustibil, pe unitatea de lucru.
Compușii includ toate locomotivele care funcționează pe principiul expansiunii multiple, indiferent de numărul de cilindri (2, 3 sau 4). Ei au avut o expansiune dublă cu abur; Locomotivele cu abur cu triplă expansiune au fost construite ca mostre experimentale și nu au ajuns la producția de serie.
Primele mașini cu dublă expansiune a aburului au început să fie utilizate pe navele cu abur , urmate de construcția de mașini cu abur staționare cu acest sistem. În ceea ce privește locomotivele cu abur, ideea utilizării sistemului compus pe ele a existat încă de la mijlocul secolului al XIX-lea, dar abia începând cu anii 1870 proiectanții s-au îndepărtat de experiența practică și au început să aplice o abordare științifică la proiectarea locomotivelor. . Prima locomotivă cu abur compusă a fost creată de inginerul Anatole Malle în 1876 la fabrica Schichau .în Elbing ( Prusia ) prin modificarea unei simple locomotive cu abur. În ciuda complexității designului, utilizarea expansiunii duble a permis reducerea consumului de abur cu 25%. În Rusia, prima locomotivă cu abur compusă a fost creată în 1882, când la atelierele de la Kiev ale Căii Ferate de Sud-Vest, la inițiativa inginerului A.P. Borodin , a fost refăcută o locomotivă, care avea anterior un motor simplu cu doi cilindri. Locomotiva cu abur transformată a fost folosită ca instalație staționară și, conform rezultatelor testelor, s-au obținut economii de abur de până la 20%, cu toate acestea, testele practice au arătat economii deja mai mici, ceea ce a fost cauzat de diametrele cilindrilor selectate incorect.
La începutul anilor 1880, designerii încercau să-și dea seama cum să facă o locomotivă cu abur mai puternică prin creșterea cuplului de la motorul cu abur. Au fost luate în considerare opțiuni precum creșterea ariei (și a diametrului) cilindrilor sau creșterea presiunii aburului de funcționare. Cu toate acestea, în primul caz, dimensiunile mașinii cu abur sunt limitate de dimensiunea materialului rulant , iar în al doilea, o astfel de proprietate a apei intră în vigoare încât, odată cu creșterea presiunii, punctul de fierbere crește și el , ceea ce la rândul său. crește consumul de combustibil. Și în căutarea unei soluții la această problemă, utilizarea expansiunii duble a aburului a devenit o adevărată descoperire, deoarece a permis, menținând dimensiunile cazanului de abur, creșterea puterii, în ciuda faptului că presiunea optimă de lucru pentru acesta era până la 13 atmosfere. Și utilizarea mașinilor cu patru cilindri (de exemplu, sistemul Mallet ) a făcut posibilă creșterea semnificativă a forței de tracțiune, menținând în același timp o sarcină axială relativ mică. Locomotivele compuse de pasageri, în comparație cu locomotivele simple, la rândul lor, ar putea funcționa la întreruperi mai mici, ceea ce a făcut posibilă creșterea vitezei.
În același timp, proiectarea locomotivelor cu abur compuse a cerut de la proiectanți un studiu mai profund al termodinamicii și hidrodinamicii, contribuind astfel la dezvoltarea școlii științifice de construcție a locomotivelor cu abur. Utilizarea pe scară largă a sistemului compus a făcut posibilă studierea deficiențelor acestuia. În primul rând, locomotivele cu abur cu motor cu doi cilindri necesitau un control competent, mai ales la pornirea dintr-un loc sub tren, iar la viteze mari se producea o mișcare neliniștită. Proiectanții căutau o soluție la aceste probleme în utilizarea mașinilor cu trei și patru cilindri, ceea ce a contribuit la apariția diferitelor modificări; printre acestea s-au numărat versiuni compacte de mașini compuse, care au făcut posibilă utilizarea simultană a două astfel de mașini pe locomotivă, situate pe laterale și care funcționează ca un simplu cu doi cilindri, dar la decupaje mai avantajoase.
La sfârșitul anilor 1890, supraîncălzitoarele au început să fie folosite pe locomotivele cu abur ; acum aburul din cazan care intra în supraîncălzitor a fost încălzit suplimentar la o temperatură mai mare, ceea ce a crescut și presiunea acestuia. O astfel de schemă permite, menținând presiunea de lucru, reducerea consumului de apă și combustibil, și într-un mod mai ieftin. În acest sens, într-o serie de țări, producția de locomotive cu abur compuse după 1900 practic a încetat.
Principalul dezavantaj al locomotivelor cu abur compuse este repararea și întreținerea lor mai costisitoare, inclusiv din cauza uzurii mai intense a structurii. Influența caracteristicilor serviciului de locomotivă afectează, de asemenea. De exemplu, motoarele de pe nave funcționează continuu timp îndelungat (până la câteva zile) sub o sarcină uniformă și aproape la aceeași temperatură interioară, ceea ce face posibilă obținerea unor economii mari de abur din acestea. Cu toate acestea, pe locomotive, acestea funcționează deja sub o sarcină neuniformă, cu o viteză variabilă și într-o gamă largă de temperaturi ambientale. În astfel de condiții, este imposibil să se mențină modul optim de funcționare al mașinilor compuse, ceea ce duce la o scădere a eficienței acestora. După cum a arătat practica, este cel mai profitabil să exploatezi locomotivele cu abur compuse pe un profil plat, în timp ce în tronsoane cu profil rupt (urcări și coborâri), acestea pot consuma și mai mult combustibil decât cele simple. De asemenea, economia de combustibil din utilizarea mașinilor compuse scade semnificativ odată cu creșterea vitezei de mișcare și creșterea presiunii aburului.
Începutul utilizării aburului supraîncălzit a necesitat o schimbare a tehnologiei de inginerie mecanică, deoarece aburul supraîncălzit are o densitate mai mică (mai „volatil”) decât aburul saturat , ceea ce duce la o creștere a scurgerilor și, prin urmare, necesită o reducere a toleranțelor dimensionale. Prin urmare, dacă un sistem compus este utilizat pe o mașină de locomotivă cu abur cu abur supraîncălzit (în Rusia a fost propus de inginerul A. O. Chechott ), costul de întreținere devine și mai mare. De asemenea, aburul supraîncălzit în timpul funcționării într-o mașină compusă are o scădere mai semnificativă a numărului indicatorului și, prin urmare, economiile sale sunt deja mult mai mici și, de fapt, iraționale din punct de vedere economic.
Mașina încrucișată are doi cilindri, cu cilindrul de înaltă presiune (mic) pe o parte a căruciorului și cilindrul de joasă presiune (mare) pe cealaltă. În această schemă, aburul trece de la un cilindru la altul de-a lungul conductei de recepție prin întreaga locomotivă, pentru care și-a primit numele; pentru a reduce pierderile de căldură, nu este neobișnuit ca receptorul să treacă printr- o cutie de fum . Această schemă a fost folosită pentru prima dată la locomotivele cu abur de către inginerul Malle în 1876 și este un clasic, care a devenit larg răspândit. Cu toate acestea, compusul încrucișat are un dezavantaj foarte serios - dacă pistonul cilindrului mic este într-un punct mort , atunci locomotiva nu va putea merge. Pentru a preveni acest lucru, se folosesc dispozitive speciale care furnizează abur de la cazan către un cilindru mare; de asemenea, aceste dispozitive pot fi utilizate la ridicări grele atunci când este necesară o creștere a forței de tracțiune. Aceste dispozitive au un design diferit, dar în general pot fi împărțite în două grupuri mari:
Un alt dezavantaj al locomotivelor cu doi cilindri a fost incapacitatea de a rezista la umplerea completă a cilindrului mare în întreaga gamă de viteze a roților, ceea ce a provocat o rulare agitată la viteze mari, ceea ce a contribuit la apariția motoarelor cu 3 și 4 cilindri.
Inginerul Anatole Malle , menționat deja mai sus (în literatura rusă în mod eronat - Mallet ), după rezultatele testării unui compus cu doi cilindri, a propus ideea unei mașini cu patru cilindri pe o locomotivă cu abur cu o unitate separată, atunci când este ridicată. -cilindrii de presiune sunt folosiți pentru a antrena un grup de roți, iar cilindrii de joasă presiune - al doilea grup. În acest caz, au existat două opțiuni: ambele grupuri de roți sunt în același cadru rigid sau grupul frontal de roți este pe un cărucior pivotant, în timp ce cilindrii de joasă presiune servesc ca antrenare pentru acesta, ceea ce ușurează lucrul. cu conducte de abur ; prima opțiune nu a fost niciodată implementată în metal, spre deosebire de a doua. Primele locomotive cu abur ale sistemului Malle au fost construite de Compania Decauville în 1889 și urmau să funcționeze pe calea ferată cu ecartament de 600 mm la Expoziția Mondială de la Paris . Sistemul s-a dovedit a fi destul de popular mai întâi în Elveția, apoi în Rusia (seria І și Ѳ ) și în SUA; a făcut posibilă crearea de locomotive cu abur cu forță mare de tracțiune și, în același timp, potrivite pentru funcționarea pe șine cu o suprastructură slabă. Mai târziu, schema „simple Malle” cu motoare cu abur simple a devenit larg răspândită în Statele Unite; include și cele mai mari locomotive cu abur în serie din lume - Challenger și Big Boy .
Principalele dezavantaje ale locomotivelor compuse din sistemul Malle au fost aceleași cu cele ale altor locomotive articulate - reparații mai scumpe în comparație cu locomotivele monomotor. Cu toate acestea, în general, proiectarea lor a fost atât de reușită încât au continuat să fie construite mai mult decât alte locomotive compuse; de exemplu, lansarea serialului rusesc Ѳh
latipul 0-3-0+0-3-0 a fost finalizat abia în 1924.
În 1889, inginerul american Samuel Vauquelin (managerul Baldwin Locomotive Works ) a primit un brevet pentru o mașină în care cilindrii de înaltă și joasă presiune erau amplasați unul deasupra celuilalt, transmitând cuplul unui glisor comun și controlat de un mecanism comun de distribuție a aburului . folosind o singură bobină de design complex. Mașina sistemului Vauquelin s-a dovedit a fi suficient de compactă încât a fost posibilă instalarea a două astfel de mașini pe o locomotivă cu abur, câte una pe fiecare parte, care funcționau ca cilindrii unui simplu cu doi cilindri, ceea ce le-a făcut mai ușor de controlat. Sistemul s-a dovedit a fi destul de progresiv pentru vremea lui, iar autorul său a primit mai multe premii. Fabrica Baldwin a construit locomotive cu o astfel de mașină nu numai pentru drumurile americane, ci și pentru Europa (inclusiv Rusia), Australia și Noua Zeelandă, iar până în 1900, 140 de operatori operau locomotive compuse cu sistemul Vauquelin.
Cu toate acestea, în condiții de funcționare, această mașină a prezentat un dezavantaj atât de important ca repararea mai frecventă a ghidajelor glisoare din cauza uzurii neuniforme. După 1900, producția de locomotive compuse din sistemul Vauquelin a fost întreruptă, iar multe dintre cele construite anterior au fost transformate în unele simple.
În anii 1880, în Franța a existat o penurie de cărbune cu putere calorică ridicată, care era în principal importat, ceea ce a impus proiectanților de locomotive cu abur să caute o soluție în utilizarea mașinilor compuse. Apoi inginerul Alfred de Glehn, care a lucrat pentru Société Alsacienne de Constructions Mécaniques, a propus ideea unei mașini cu patru cilindri cu o unitate separată, dar spre deosebire de sistemul Webb, cilindrii mici erau amplasați în interiorul cadrului, în timp ce cei mari erau în exterior. În 1885, comandat de Gaston de Busquet(șeful departamentului de locomotive din Chemins de fer du Nord) a fost construit un prototip Nord 701 tip 1-1-1-1, în care cilindrii de înaltă presiune au condus axa motoare din față, iar cilindrii de joasă presiune au condus spatele. În 1891 erau deja construite două locomotive cu abur Nord 2.121 și 2.122, tot cu osii mobile nelegate, dar, la cererea lui de Busquet, cilindrii mici erau acum amplasați în exterior, iar cei mari în interior; operațiunea a arătat că această versiune a aranjamentului cilindrilor s-a dovedit a fi mai proastă în comparație cu prototipul.
Gaston de Busquet a jucat un rol semnificativ în dezvoltarea sistemului lui de Glehn, inclusiv rafinarea mecanismelor de antrenare și de distribuție a aburului pentru cilindrii interiori pentru un acces mai ușor, reducând astfel timpul de întreținere. Locomotivele cu abur cu mașină de Glehn, în comparație cu cele simple, economiseau până la o treime din abur și funcționau foarte bine pe căile ferate franceze, deși erau greu de manevrat și durau mai mult pentru reparare. De asemenea, un astfel de sistem s-a răspândit pe căile ferate din Anglia, Belgia, Germania și Noua Zeelandă, totuși, mai târziu, la unele locomotive cu abur (în primul rând cele din Noua Zeelandă), mașina compusă a fost înlocuită cu una simplă cu doi cilindri. Dintre căile ferate americane, doar Pennsylvania Railroad a comandat un prototip de locomotivă 2-2-1.
În Imperiul Rus, în 1907-1910, Uzina de locomotive din Harkov a produs 8 locomotive cu abur cu jumătate de rezervor de tip 2-3-1 din seria Ъ x , în care toți cei patru cilindri au fost folosiți pentru a antrena puntea motrice din față. Tot în anii 1906-1912, Uzina Kolomna a construit 62 de locomotive cu abur tip 2-3-0 din seria U , în care cilindrii de înaltă presiune erau amplasați nu în interior, ci în exterior. Una dintre aceste locomotive ( U127 ) a supraviețuit până în zilele noastre și este o expoziție a Muzeului Căilor Ferate din Moscova .