Среди многих причин влияющих на неэкономичность работы паровой машины, одна из наиболее важных — это охлаждение пара стенками цилиндра в период впуска. Пар поступающий в цилиндр при начале впуска, встречает металлическая стенка более низкой температуры, охлаждается, теряет свою упругость и частью осаждается на них в виде мелких капель. При движении поршня открываются новые части менее нагретой поверхности, эти части охлаждают внове поступающий пар и т. д. пока не наступит отсечка. Таким ооразом в период впуска отнимается стенками цилиндра от приходящего пара значителеная часть теплоты. В период же расширения, при уменшившемся давлении, часть осевшей на стенках воды испаряется, но на открывающихся вновь стенках пар продолжаем, охлаждатся. При выпуске отработавшего пара наружу и при обратном ходе поршня происходят следующее: давление быстро падает, вся вода, оставшаяся на стенках, испаряется, отнимая от них теплоту и уносится в атмосферу. При новом впуске пара повторяются с охлажденными стенками те же явления.
Эта потеря теплоты будет тем больше, чем больше разница между температурой свежего пара и температурой стенок цилиндра (последняя равна температуре уходящаго пара). Чтобы ослабить по возможности охлаждение пара уменьшают разность температур приходящего и уходящего пара применением принципа компаунд, т. е. заставляют пар расширятеся последователено в двух цилиндрах. При этом пар попадает сначала в малый цилиндр, стенки которого никогда не сообщаются с наружным воздухом, и расширяется незначителено, даленейшее же расширение происходит в следующем соответственно большем по объему цилиндре. Таким образом разность в температуре уменьшается в два раза и вредное влияние охлаждение пара понижается при этом настолько же. Кроме того, та часть теплоты, которая отнимается от стенок малого цилиндра отработавшим паром, не теряется безполезно, а переходит в больший цилиндр.
Относителеное расширение пара в обыкновенных и компаунд-паровозах необходимо заметить, что достигаемая в послених степень расширения пара несравненно значительнее. Так при наполнении в обыкновенных паровозах на 0,4 хода пар расширяется всего в 2,5 раза. Между тем в компаунд-паровозах, впуская пар более высокого давления в малый цилиндр на 0,4, а оттуда в болешой на 0,5 хода и при отношеши обемов цилидров = 1:2 пар будет расширятеся в 5 раз При легких поездах отсечка в малом цилиндре может происходить на 0,3 хода, в большем—на 0,4 хода и степене расширетя будет около 8, тогда как в обыкновенных паровозах при тех же условиях приходится работате приблизительно с наполнением в 0,25—0,3, но при меньшем открытии регулятора, т. е. при меньшем начальном давлении пара в период впуска. Последнее обстоятелество обясняется тем, что в обыкновенных паровозах степени наполнения менее 0,25 почти не приносит пользы, так как при незначителеных отсечках золотник открывает паровые окна весьма незначителено, а при этом давление в период впуска сильно понижается; кроме того предвареше впуска и сжатие мятаго пара начинаются рано и бывают очень велики.
Вышесказанный обстоятелества очене важны, так как влекут за собою уменешеше расхода пара, следователено, сберегаюсе топливо. При благоприятных условхях примнение на паровозах принципа компаунд дает экономлю в топливе не менее 10% против обыкновенных паровозов.
Типы компаунд-паровозов
А) Быстроходный паровоз.
Изображенный на черт. 99 быстроходный паровоз системы „тандем-кампаунд“ снабжен с каждой стороны двумя независимыми друг от друга цилиндрами, укрепленными вдоль одной общей оси, несколько наклоненной, один впереди другого. Диаметр малого цилиндра, расположеннаго впереди и работающаго паром высокого давления 365 мм., диаметр другого цилиндра низкого давления 547 мм. Оба поршня каждой пары цилиндров насажены на один общем стержьне, соединенный с крейцкопфом обыкновенным способом. Золотниковые коробки цилиндрического с такими же золотниками расположены над цилиндрами. Золотники каждой стороны насажены также на один общий стержень.
Парораспределительный механизм общий для всех 4-х цилиндров системы Гейзингера. Паровоз дейстствует как компаунд таким образом, что пар отработавший в малых цилиндрах поступает в общей ресивер, расположенный в передней части дымовой коробки, откуда по особым трубам направляется в большие цилиндры и затем в конус всех 4-х цилиндров системы Гейзингера. Быстроходный паровоз описываемой системы имеет две спаренные оси, расположенный по обе стороны огневой коробки и кроме того, передняя его часть поддерживается 2-х осною тележкою, могущею вращаться около вертикальной оси для облегчения прохода по кривым. Деаметр ведущих колес 2000 мм. Вес паровоза в рабочем состоянеи — 52 тонны. Давленее пара по манометру 12 атмосфер. Сила тяги паровоза 4360 килограммов.
Б) Пассажирский паровоз.
Изображенный на черт. 100 пассажирский компаунд-паровоз представляет собою тип Николаевской ж. д., получивший большое распространение. В нем два цилиндра: один малый дйам. 480 мм. высокого давления и один большой дйам. 720 мм. низкого. Давление пара в котле 11 атм. по манометру. Наполнение большого цилиндра свежим паром при трогании паровоза с места достигается краном Линднера при спущенном рычаге (ниже 6 зуба).
Этот паровоз имеет три спаренныя оси, диам. колес двоякий: 1700 и 1900 мм. и кроме того спереди снабжен одной поддерживающей осею (дйам. колес 130 мм.) с радиальными буксами для облегчения прохода по кривым. Распределение нагрузки между спаренными осями достигается при помощи балансиров и не превышает 14,1 тонны на каждую. Общий вес паровоза в рабочем состоянии 54,8 тонны. Сила тяги паровоза 5100 килограммов
В следствии большой силы, которою отличаются эти паровозы, они особенно пригодны для больших составов поездов и на особенно трудных, участках, при чем скорость их не превышает 70 верст в час.
В) Товарный паровоз норм. типа.
Изображенный на черт. 101 товарный восьмиколесный компаун-паровоз представляет собою правительственный тип. В нем также два цилиндра: один малый высокого давления диам. 500 мм. и один большой диам. 730 мм. низкого давления. Рабочее давление пара также 12 атм. по манометру. Устройство парораспределительнаго механизма, прибора для трогання с места и расположение паровых и ресиверных труб совершенно тождественно с таким же устройством и расположением в вышеописанном пассажирском паровозе. Диаметр колес 1200 мм., вес паровоза в рабочем состоянии 51,5 тонны; сила тяги паровоза 8510 килограммов.
Товарный паровоз нормального правительственного типа впервые появился на русских ж. д. в 1893 г. и вследствие большого числа недостатков, замеченных в его конструкции во время его работы, подвергался неоднократным измнениям. Кроме первоначаленого типа 1893 г. имеются типы: 1897 и 1900 г.
Г) Товарный паровоз типа 4/5.
Изображенный на черт 102 товарный компаунд-паровоз встречается на Моск.- Винд.- Рыб. ж. д., где этот тип был выработан. Он имеет четыре спаренных оси и кроме того одну поддерживающую впереди. Диаметр ведущих колес 1270 мм., поддерживающих — 750 мм. Этот тандем - компаунд снабжен с каждой стороны двумя цилиндрами, расположенными вдоль на одной оси. Диаметр цилиндров высокого давления 700 мм., низкого — 600 мм. Система парораспределения — кулиса Аллана. Давление пара в котле по манометру 12 атм. Сила тяги паровоза 10200 килогр.
Д) Товарный паровоз типа 5/6.
Изображенный на черт. 103 товарный комнаунд-паровоз встречается на Владикавказской ж. д. В нем пять спаренных осей и одна поддерживающая ось впереди; диаметр ведущих колес 1270 мм. Паровозы эти (сист. Декапот) построены на заводе Балдуина и имеют с каждой стороны по два цилиндра, расположенные параллельно один над другим таким образом, что внизу малый цилиндр высокого давления, диам. 381 мм., а вверху большой дим. 635 мм. Цилиндрическая золотниковая коробка, составляя одно целое с цилиндрами, располагается с внутренней стороны. Рабочее давление пара в котле 12 атм.; парораспределение общее для всех 4-х цилиндров происходите кулисою Стефенсона. Усилие тяги такого паровоза при отсечке в 0,5 составляет 10830 килогр.
Отличительная черта этого типа заключается между прочим в расположении топки над паровозной рамою, вследствие чего площадь решетки составляет 3,4 квадр. метра, а число дымогарных труб 270.
Е) Товарный паровоз „Дуплекс компаунд”.
Изображенный на черт. 104 товарный 12-ти колесный паровоз Дуплекс - компаунд типа Маллета, имеет две независимый одна от другой тележки, из коих каждая снабжена тремя спаренными осями, независимыми машинами и отделеными парораспределителеными механизмами Гейзингера. Все колеса одинакового диаметра— 1220 мм. Задняя тележка соединяется с котлом неизменно, передняя же может поворачиватеся и принимат наклонное положение относительно горизонтальной оси котла. Два цилиндра высокого давления диам. 480 мм. расположены по одному с каждой стороны задней тележки, а два цилиндра низкого давленея диам. 700 мм. расположены таким же образом на передней тележке. Пар, отработавший в малых цилиндрах, поступает в общую ресиверную трубу, расположенную под котлом, откуда направляется в большие цилиндры и затем в конус. Обе паровые машины приводятся в действие от одного рычага. Ресиверная труба устроена таким образом, что может принимать наклонное положение вместе с переднею тележкою.
Таким же образом устроена и труба, отводящая мятый пар в конус. Давление пара по манометру 12 атм. Вес паровоза в рабочем состоянии 78 тонн. Тяговая сила этого паровоза настолько велика (до 50 груж. вагонов), что стяжные приборы вагонов ближайших к паровозу, не в состоянии выдержать всего напряжения, поэтому при тендерах этих паровозов имеются с каждой стороны особые проволочные канаты, с помощью которых ближайшие к тендеру 15 вагонов выделяются таким образом, что следующее за ними вагоны не оказывают на них никакого действия.
Эти паровозы построены на Брянском заводе и работают главным образом на Казанской и отчасти Сибирской ж. д.
Компаунд-паровозы с двумя цилиндрами
Компаунд-паровозы с двумя цилиндрами являются самыми простыми по конструкции. Один цилиндр высокого давления размещается с одной стороны рамы (снаруже) и один цилиндр низкого давления с другой (тоже снаруже). Свежий пар поступает в цилиндр высокого давления и после отработки в нем перепускается в цилиндр низкого давления. После чего, отработав там, выпускается, через конус в атмосферу.
При такой схеме возникает проблема уравновешивания работы левого и правого цилиндров имеющих разные диаметры, а значит и производящих разную работу. Уравновешивание работы левого и правого цилиндров просходят за счетт специальных устройст регулирующих количество впускаемого пара в цилиндр большего диаметра (уменьшая его примерно в два раза).
В 2-х цилиндровых компаунд-паровозах работа правой и левой машины бывает одинаково только при известной определенной отсечке; при малых отсечках работа правого цилиндра становится больше, чем работа левого, и, наоборот, при больших отсечках увеличивается работа большого цилиндра. Это приводит к рысканью паровоза,такой ход приводит к растройству пути. Поэтому, с целью достигнуть уравнения работы машин правой и левой стороны паровоза, а равно и с целью увеличения мощности паровой машины, паровозы компаунд стали строить не с 2-мя, а с 3-мя и 4-мя цилиндрами, при чем с каждой стороны паровоза помещается по 2 цилиндра: один цилиндр высокого давления и другой низкого давления.
Компаунд-паровозы с тремя цилиндрами.
Трехцилиндровые паровозы прусских ж. д. в отличие от четырехцилиндровых имеют простую, лишь в одном месте изогнутую ведущую ось, которая весьма надежна в работе и сравнительно дешева и проста для исполнения. Сила тяги при трогании с места, развиваемая трехцилиндровым паровозом, значительно больше, чем у двухцилиндровом машины одинаковой мощности. Уравновешивание масс тоже значительно благоприятнее. Парораспределение внутреннего цилиндра совершается при помощи промежуточного шатуна, связанного с парораспределительным механизмом наружного цилиндра. Этот тип настолько хорошо зарекомендовал себя на деле, что в Пруссии, Саксонии и Бадене все новые товарные паровозы строялись только трехцилиндровыми.
Эти паровозы встречаются на практике довольно редко. Главная цель, при постройке таких паровозов, заключалась в стремлении устранить влияние широко разставленных цилиндров на колебательный движения паровоза при больших скоростях. Найболее характерным образцом компаунд-паровозов с тремя цилиндрами может служит паровоз - ц (Вебба). В нем два наружные цилиндра А высокого давления, приводят во вращение заднюю ведущую ось, тогда как третий цилиндр Б низкого давления, помещенный под дымовою коробкою, соединен с переднею ведущею осью. Свежий пар поступает в цилиндры высокого давления расположенные слева и справа от рамы. Отработанный пар по паропроводам поступает в цилиндр низкого давления, после чего выбрасывается в атмосферу через конус. Особенность паровоза состоит в том, что обе ведущие оси не связаны между собою.
Парораспределителеный механизм устроен независимым для обеих групп цилиндров, при чем переводные рычаги, в случае надобности, могут быть соединены и передвигаемы вместе. Отношение объемов малого и большого цилиндров = 1: 2, 3.
Так как в паровозах этой системы цилиндры высокого давления представляют собою обыкновенную сдвоенную машину, то нет надобности в приборе для трогания с места. Кроме того, благодаря отсутствию сдваивающих дышл, паровоз легче проходит кривые малого радиуса.
Компаунд-паровозы с четыремя цилиндрами.
Из 4-х цилиндровых паровозов компаунд до начала XX столетия, наиболее распространены были паровозе компаунд системы Воклэна и затем паровозы системы Тандем-компаунд.
Паровозы компаунд системы Воклэна (старый тип)
Паровозы компаунд системы Воклэна (старый тип), построенные американским заводом Балдвина, имеют с каждой стороны по два цилиндра, которые располагаются один над другим и действуют на один общий кривошип. Распределение пара в этих паровозах производится одним общим цилинрическим золотником.
Объем большого цилиндра делается до 3-х раз больше, чем объем малого. Рессиверных труб у этих паровозов не имеется и роль рессивера играет внутреннее пространство цилиндрического золотника. Схема расположения цилиндров и распределения пара указана на чертеже 207 и 208. где А — малый цилиндр, Б - большой цилиндр и 3 - золотниковый цилиндр.
Круглый цилиндрический золотник, черт. 209 и 209а состоящий из 4-х поршней, соединенных в одной отливке, двинется в цилиндрической втулке, укрепленной в золотниковой коробке. Между двумя средними поршнями тело золотника не имеет никаких отверстий, а между первым и вторым и между третьим и четвертым поршнем имеются отверстия, служащие для прохода пара. Золотниковая втулка (черт. 207 и 209) соответственно устройству цилиндров имеет 7 рядов окон; через два крайние ряда окон а и ж поступает свежий нар из паропроводной трубы. Два вторых ряда окон б и е служат для впуска свежего пара в малый цилиндр. Окна в и д служат для впуска пара в большой цилиндр, а окно / служит для выжиг для впуска пара в большой цилиндр, а окно г служит для выпуска пара в конус.
Распределение пара в цилиндрах происходит следующим образом (черт. 207) при положении золотника, указанном на чертеже, свежий пар через окно с попадает в переднюю часть малого цилиндра А. где давит на поршень и приводит его в движение назад. В это время с другой стороны поршня малого цилиндра находится пар, отработавший уже в задней части малого цилиндра, который через окно проходит во внутреннюю полую часть золотника, служащую рессивером, и отсюда через окно г поступает в переднюю часть большого цилиндра и двигает его поршень также назад. В то же время из задней части большого цилиндра мятый пар проходит через окна «, идет снаружи золотника по его впадине и, попадая в окно в, выходит в конус и далее в атмосферу.
Для увеличения мощности паровой машины паровозов Воклэна, во время троганья поезда с места или на значительном подъеме, пользуются продувательными кранами цилиндров, которые для этого имеют особое приспособление, а именно: оба отверстия продувательных кранов каждого малого цилиндра соединяются между собой трубками, входящими в корпус одного общего крана, пробка которого имеет 3 отверстия (черт. 210). Если пробка продувательного крана при помощи привода из будки машиниста будет установила в положении I, так что отверстия а и е в корпусе крана совпадут с отверстиями б и в в пробке крана, то кран будет работать, как обыкновенный продувательный кран.
При промежуточном положении пробки крана, т.-е. положении II, кран будет закрыт.
Если-же поставить пробки в положение III, т.-е. такое, чтобы отверстие а совпало с в, и отверстие г совпало с е, то свежий пар с рабочей стороны поршня малого цилиндра через соединительную трубку перейдет в другую сторону поршня и отсюда поступит в большой цилиндр.
Поршень малого цилиндра будет при этом уравновешен давлением на него пара с обоих сторон, а поршень большого цилиндра будет находиться под действием свежего пара. Так как площадь поршня большого цилиндра больше, чем малого, то и сила паровой машины при этом увеличится.
Оба поршня каждой стороны в паровозах Воклэна действуют на один общий кривошип и для укрепления концов их штоков, устраивается общий крейцкопф (черт. 253), который благодаря этому получается очень тяжелым и для своего уравновешивания требует устройства на колесах очень массивных противовесов, что сильно отзывается на состоянии пути и составляет очень существенный недостаток этих паровозов.
К недостаткам паровозов Воклэна надо отнести также и то, что общий золотник для двух цилиндров не может одинакого хорошо работать при всех отсечках и хорошо работает только при той отсечке, которая при постройке была принята за нормальную (около 0,53--0,56). При малых отсечках сжатие пара в этих паровозах получается слишком большим. Кроме того, работ большого и малого цилиндров одной и той же стороны бывает равна только при определенной отсечке. При изменении отсечки равенство работ исчезает, и при работе паровоза происходит перекашиванье крейцкопфа, влекущее за собой расстройство механизма крейцкопфа и параллелей.
Досадным недостатком является также то, что свежий пар поступает не во внутреннюю полость золотинка, а в пространство между крышками и золотниковым поршнем отчего как постановка крышек, так и золотниковые сальники быстрее расстраиваются.отчего как постановка крышек, так и золотниковые сальники быстрее расстраиваются.
На чертеже 211 показаны цилиндры паровозов Воклена нового типа. В этом типе все 4 цилиндра расположены в ряд и их поршни действуют на одну ведущую коленчатую ось. Золотников же для этих четырех цилиндров в новом типе Воклэна так же, как и в старом типе, имеется только 2, из которых каждый обслуживает два цилиндра. Отличие от старого типа Воклэна состоит в том, что в старом типе для каждых двух цилиндров имеется один общий кривошип. В новом же типе каждый поршень действует ня свой отдельныи кривошип, Причем кривошипы двух спаренных цилиндров расположены под углом 180° друг к другу.
Такое устройство сделано с целью достигнуть лучшего уравновешивания движущихся взад и вперед масс. Как видно из чертежа 211, в золотниковой втулке имеется так же, как и в старом типе, 7 рядов окон, но назначение их иное. Свежий нар поступает в цилиндр высокого давления через среднее окно Г и распределяется средней частью золотника КА по окнам В и Д служащим паровпускными окнами для малого цилиндра.
При положении, указанном на чертеже, свежий пар из отверстия Г входит внутрь кольцеобразного углубления в золотнике и отсюда поступает в заднее паровпускное окно А и далее в малый цилиндр. В то же время из передней части малого цилиндра выходит отработанный пар. Этот пар через окно В выходит из малого цилиндра и через отверстие З в золотнике входит во внутреннее пространство его служащее рессивером. Из этого пространства пар через окно а проходит в заднюю часть левого цилиндра и двигает его поршень назад. В то же время с другой стороны поршня левого цилиндра мятый пар уходит через окно ж в выточку на поверхности задней части золотника и далее в окно с и в конус.
Таким образом, окна а и ж служат паровпускными окнами для большого цилиндра, а окна Б и е служат для него паровыпускными и соединяются паропроводной трубой с конусом. Золотник МНКЛНР представляет собой как бы три золотника, один золотник КЛ с внутренним впуском служит для малого цилиндра, а другие два МП и НР, как цилиндрические золотники с наружным впуском, служат для двух концов большого цилиндра.
Паровозы Тандем-компаунд.
Как образец второго типа может служить четырехцилиндровый компаунд-паровоз Юго-запацных дорог с двумя спаренными осями впереди и позади топки и сдвухосною переднею тележкою. Отношение объемов цилиндров = 1. 2, 3. Малые цилиндры А находятся впереди больших Б и соединены с ними сквозными болтами при распорных трубках.
Пар, отработавший в левом малом цилиндре, поступает через рсссивер в правый большой цилиндр. Такая система парораспределения устраивается для того, чтобы без особых осложнений конструкции достигнуть достаточного объема рессиверных труб. Если бы пар, отработавший в малом цилиндре требовалось пустить в большой цилиндр той же стороны, то для получения достаточного объема рессивера, при малой его длине, рсссивер пришлось бы делать слишком большого диаметра, что делало бы конструкцию значительно более сложной. Надо, впрочем, заметить, что и такая конструкция иногда также употребляется. 
Ресивер состоит из двух независимых медных труб, обходящих вокруг дымовой коробки и соединяющих, выпускное окно правого малого цилиндра с золотниковою коробкою левого большого цилиндра и наоборот. Впрочем, в новейших тандем-паровозах находят более выгодным сообщать ресиверные трубы в средней части с помощью особой коробки (ресиверная крестовина).
Недостаток этого типа паровозов заключается в затруднителености набивать промежуточные сальники цилиндров и в слабом укреплении переднего (малого) поршня, который при каждом ремонте поршневых колец необходимо снимать со штока, чтобы вынуть задней большой поршнь. Кулиса Стефенсона для обоих пар цилиндров устанавливается общим переводным винтом.
Паровозы Дуплекс-компаунд (Маллет)
Паровозы Дуплекс-компаунд (Маллет) представляю собой сдвоенный паровоз с одним общим котлом, опирающимся на две отдельные тележки, соединенные шкворнем (схематический чертеж 214).
Каждая из этих тележек имеет свою паровую машину. Паровые цилиндры одной тележки (обыкновенно задней) работают свежим паром, а затем отработавший в них пар по общей рессиверной трубе аб проводится к цилиндрам низкого давления, укрепленным на другой тележке. Кулиссные механизмы паровых машин обоих тележек связаны между собой и работа малых и больших цилиндров происходит с должной зависимостью и правильностью. Паровозы системы Маллета представляет собой сдвоенный паровоз с одним общим котлом, опирающимся на две отдельные тележки, соединенные шкворнем (схемативеский чертеж 214).
Паровозы компаунд типа де-Глена (Франция)
Схема расположения частей паровом машины паровоза компауд типа де-Глена (Франция) указана на чертеже 215.
Цилиндры высокого давления расположены снаружи рамы и действуют на заднюю спаренную ось. Цилиндры низкого давления расположены между продольными листами рамы, под дымовой коробкой, впереди цилиндров высокого давления и действуют на переднюю спаренную ось, которая сделана коленчатой. Иногда при таких же расположениях цилиндров, все четыре цилиндра делаются высокого давления, т. е. на паровозе устраивают 4 машины простого действия (система Друммонда — Англия). В паровозах системы де-Глена, цилиндры высокого и низкого давления имеют независимые друг от друга парораспределительные механизмы и управляются при помощи одного двойного переводного винта.
В системе паровозов Борриса-Вебба все 4 цилиндра расположены в ряд и действуют на общую переднюю коленчатую ось. Эта система имеет несколько разновидностей:
а) система Бирриса когда цилиндры низкого давления помещены между рамными листами, а цилиндры высокого давления снаружи рамы;
б) система Вебба — когда между рамными листами помещены цилиндры высокого давления, а снаружи рамы помещены цилиндры низкого давления (черт. 216);
в) систечи Монсона когда все 4 цилиндра —высокого давления и, наконец,
г) система Адриатик — в которой все 4 цилиндра также действуют на одну ось, но расположение их таково, что оба цилиндра высокого давления расположены с правой стороны паровоза, один снаружи рамы, другой внутри. Цилиндры же низкого давления таким же образом расположены с левой стороны паровоза.
Парораспределительные механизмы на паровозах этих типах устраиваются различно, или каждый цилиндр имеет свой особый кулиссный механизм, независимый от других, при чем конструкция паровоза выходит очень сложной, или устраиваются только две кулиссы, из которых каждая обслуживаег 2 цилиндра и т. п.