蒸気機関車が石炭を運動に変える仕組み

蒸気機関車は、車輪の上に載ったボイラーに、横から機関が取り付けられたものです。その中に不思議なものはなく、数字も手で計算できるほど小さいものです。この記事では、シャベルからレールまでのエネルギーをたどり、最後に牽引力の数値を出します。

石炭から蒸気へ

石炭は、 火室. The hot gases do not go straight up the chimney. They are drawn forward through the boiler in many narrow の火格子で燃え、熱いガスは火管を通り、その管は水の中を走っています。1本の広い煙道だけより、多くの管を使うと、ガスが熱を放出できる面積がはるかに大きくなります。

水は沸騰し、蒸気は圧力を受けながら、ボイラーの上部のドームに集まります。後期の蒸気機関車の典型的な作動圧力は約200 psi（約14 bar）で、それ以上のものもありました。圧力こそ役立つ部分です。ピストンを押すのは圧力だからです。

多くのエンジンは、その後、蒸気を 過熱器（より大きな火管の内側にある管の束）を通します。過熱すると、その圧力での沸点よりずっと高くまで蒸気が加熱され、乾燥します。乾いた蒸気はシリンダー内で凝縮しません。凝縮すると水が熱を無駄にし、エンジンを傷つける可能性があります。また、水1キログラムあたりから、より多くの仕事が得られます。

シリンダー、ロッド、車輪

バルブが蒸気を シリンダー に送り込み、 ピストン を押し動かします。ピストンロッドと コネクティングロッド が、その押す力を 動輪のクランクピンへ伝え、車輪を回します。車輪自身の回転によって、ピストンは再び戻されます。

鉄道用のシリンダーは 複動式. Steam is let in on one side of the piston for the push out, and on the other side for the push back. That gives two power strokes per cylinder for every turn of the wheel. A conventional locomotive has two cylinders, one on each side, with their cranks set a quarter of a turn apart so the engine can always start from rest. So:

2シリンダー × 各2行程 = 車輪1回転あたり4回の動力行程

これが、2気筒エンジンで聞こえる車輪1回転あたり4回の「チャフ」音の起源です。動輪が毎秒1回転する一定のペースでは、それは毎秒4回のチャフ音になります。

Valley Railでは、 Valley Rail: Train Tycoon 作成した路線に列車を購入して走らせることができます。旅客用と貨物用の6つのモデルから選べます。

火を供給する排気

各行程の後、使用済みの蒸気はシリンダーを出て、煙突へ向かいます。その途中は狭い ブラストパイプ. The jet of exhaust pulls gas out of the smokebox with it, which lowers the pressure there and draws air through the fire tubes and in through the firebox grate. This is the sharp bark of the exhaust, and it has a useful feature: the harder the engine works, the more steam it exhausts, and the harder the fire is drawn. The draught rises with the demand, without anyone touching a control.

どれだけ牽引できるか？

2気筒機関車の標準的な目安は次のとおりです:

牽引力（tractive effort） = 0.85 × P × d² × s ÷ D

ここで、P はボイラー圧力（psi）、d はシリンダー直径（インチ）、s はピストンの行程（インチ）、D は動輪の直径（インチ）です。結果はポンド重（lbf）で表されます。0.85は、行程全体でシリンダーが常に満圧で満たされるわけではないことを見込んだ慣例的な係数です。これは測定値ではなく、見積もりです。

例として、架空のエンジンを考えます: ボイラー圧力200 psi、直径20インチ・行程26インチの2シリンダー、動輪の直径68インチ。

この式は、設計が力と速度をどう交換しているかを示します。シリンダーを大きくする、行程を長くする、または圧力を上げると、牽引力は増えます。車輪を大きくすると減ります。同じ押す力が、より長いてこに作用するからです。68インチの車輪が1回転すると、エンジンは π × 68 インチ、つまり約5.43 m 進みます。そのため、大きな車輪は1行程あたりの進行距離が大きく、速い列車に向きます。小さな車輪は牽引力が増え、重い貨物に向きます。

そのエンジンがこの力を全部使えるかどうかは、別の問題です。詳しくは 鉄道が川に沿って走る理由 で説明している通り、車輪とレールの間の粘着が、どの機関車の牽引力も制限します。シリンダーがどれほど強く押しても同じです。

効率が低いままの理由

排気蒸気もまだ熱く、水に与えられた熱の多くを持ち去ります。排気は通風も生み出すため、機関車はそれを回収できません。過熱とバルブの改良で改善しましたが、10%未満が依然として一般的な範囲でした。

石炭はまた、 Valley Railの中で貨物として現れ、そこでは貨物列車が、木材、石油、鉄鉱石、鋼材、商品とともに石炭を、鉱山、森林、油井、製材所、発電所の間で運びます。