Как паровоз превращает уголь в движение

Паровоз — это котёл на колёсах с машиной, прикреплённой сбоку. В нём нет ничего загадочного, а числа достаточно просты, чтобы считать вручную. Запись проследит энергию от лопаты до рельса, а в конце посчитает тягу.

От угля к пару

Уголь горит на колосниковой решётке в топке. The hot gases do not go straight up the chimney. They are drawn forward through the boiler in many narrow жаровых трубах, которые проходят через воду. Множество труб дают газам гораздо большую площадь для отдачи тепла, чем одна широкая жаровая труба.

Вода кипит, и пар собирается под давлением в куполе в верхней части котла. Типичное рабочее давление поздних паровозов было около 200 psi (примерно 14 bar), а некоторые работали и выше. Полезна именно сила давления: она давит на поршень.

Многие машины затем пропускают пар через пароперегреватель, батарею труб внутри более крупных жаровых труб. Перегрев поднимает температуру пара значительно выше точки кипения при этом давлении, поэтому пар сухой. Сухой пар не конденсируется в цилиндрах, где вода растрачивала бы тепло и могла повредить машину, и даёт больше работы с каждого килограмма воды.

Цилиндры, штанги и колёса

Клапан впускает пар в цилиндр и толкает поршень вдоль него. Шток поршня и шатун передают этот толчок на кривошипный палец ведущего колеса, который его поворачивает. Вращение самого колеса возвращает поршень обратно.

Железнодорожные цилиндры — двойного действия. 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 цилиндра × 2 хода каждый = 4 рабочих хода на оборот колеса

Отсюда четыре пыхтения за оборот колеса, которые слышны от двухцилиндрового паровоза. При ровном ходе в один оборот ведущих колёс в секунду это четыре пыхтения в секунду.

В Valley Rail: Train Tycoon вы покупаете поезд и отправляете его по построенному вами маршруту, выбирая из шести моделей для пассажиров и грузов.

Выхлоп, который питает огонь

После каждого хода отработанный пар выходит из цилиндра и выбрасывается в трубу через узкий выхлопной патрубок. 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.

Какую тягу он может дать?

Стандартное эмпирическое правило для двухцилиндрового паровоза:

тяговое усилие = 0.85 × P × d² × s ÷ D

где P — давление в котле в psi, d — диаметр цилиндра в дюймах, s — ход поршня в дюймах, D — диаметр ведущего колеса в дюймах. Результат в фунтах-силы (lbf). Коэффициент 0.85 — условная поправка на то, что цилиндры не заполняются полным давлением котла на всём ходе. Это оценка, а не измерение.

Возьмём иллюстративную машину: давление в котле 200 psi, два цилиндра диаметром 20 in и ходом 26 in, ведущие колёса диаметром 68 in.

Формула показывает, как конструкция меняет силу на скорость. Больший цилиндр, длинный ход или большее давление повышают тягу. Большее колесо её снижает, потому что тот же толчок действует на более длинный рычаг. Один оборот колеса диаметром 68 in перемещает машину на π × 68 in, около 5.43 m, поэтому большое колесо покрывает больше пути за ход и подходит для скорых поездов. Малое колесо даёт больше тяги и подходит для тяжёлых грузовых составов.

Может ли машина использовать всю эту силу — отдельный вопрос. Как описано в записи о почему железные дороги идут вдоль рек объясняет, сцепление колеса с рельсом ограничивает то, что может тянуть любой паровоз, как бы сильно ни толкали его цилиндры.

Почему КПД остаётся низким

Отработанный пар всё ещё горячий и уносит большую часть тепла, вложенного в воду. Паровоз не может его вернуть, потому что выхлоп также создаёт тягу в топке. Перегрев и лучшие клапаны улучшили дело, но обычным диапазоном оставалось менее 10 процентов.

Уголь также фигурирует как груз в Valley Rail, где грузовые поезда перевозят его вместе с древесиной, нефтью, железной рудой, сталью и товарами между шахтами, лесами, нефтяными скважинами, заводами и электростанциями.