Kraków 2022-01-31
Historia parowozów w XIX wieku.
Część 04. 2022 rok.
Dalszy rozwój parowozów.
Od 1850 roku, w ruchu towarowym standardem stały się parowozy o trzech osiach wiązanych, czyli układ C (w Polsce oznaczenie Th). Od 1870 roku, pojawiły się parowozy towarowe z osiami w układzie czterech osi wiązanych, czyli układ D (w Polsce oznaczenie Tp). Parowozy towarowe miały dużą siłę pociągową z dwóch zasadniczych powodów: Cała masa parowozu spoczywała na kołach napędowych oraz koła napędowe miały mniejszą średnicę. Parowozy te były silne, ale nie rozwijały dużej prędkości.
Z końcem XIX wieku, coraz większe kotły spowodowały, że zaczęto budować parowozy z układem osi 1’D (w Polsce Tr) lub E (w Polsce Tw). Przykładem takie parowozu był austriacki kkStB170, w PKP typ Tr11, który opisaliśmy w poprzednim rozdziale.
Przyjmuje się, że układ osi 2’B był typowy od 1850 roku, na kolei w USA i tam ma oznaczenie American. Następnie został przyjęty w Europie. W Polsce oznaczenie typu Od oraz typu Pd. Od 1860 roku, w Europie standardem dla parowozów osobowych i pospiesznych stał się układ 1’B lub 2’B. Dodatkową przednią oś stosowano dla poprawy biegu lokomotywy, aby nie myszkowała w torze. Koła napędowe miały dużą średnicę, aby uzyskać dużą prędkość. Średnica kół niekiedy przekraczała 2,00 m. Od 1920 roku, w Polsce parowozy towarowe otrzymywały koła o średnicy do 1,45 m, a parowozy pospieszne od 1,85 m.
Jaka jest prędkość ruchu posuwisto - zwrotnego w ciągu minuty, w silniku parowozu? Proste wyliczenie: Jeżeli średnica koła napędowego wynosi 2 m to długość obwodu koła wynosi 6,28 m. Czyli jeden obrót koła to cały jeden cykl pracy silnika parowego w ruchu posuwisto - zwrotnym i przejechany dystans 6,28 m. Aby parowóz przejechał odcinek 100 km, to koła muszą się obrócić 15 926 razy. Ponieważ założyliśmy, że parowóz 100 km przejechał w ciągu jednej godziny, to silnik w ciągu jednej minuty wykonał 265,3 cykle ruchu posuwisto - zwrotnego. Przy mniejszej średnicy kół i także prędkości 100 km/h to cykli będzie więcej. Silnik parowy lokomotywy może dojść maksymalnie do 350 cykli na minute. Większej prędkości nie można osiągnąć bo nie pozwolą na to właściwości pary.
Od 1870 roku, zauważono, że parowozy w terenie górskim muszą mieć specyficzne cechy. Na przykład: większą przyczepność, mniejszą odległość skrajnych osi, prędkość biegu do 60 km/h. Dlatego dla szlaków górskich budowano parowozy z trzema osiami wiązanymi, czyli układ C, a później D. Od początku XX wieku, także parowozy pospieszne i osobowe standardowo miały układ osi 2’C (w Polsce Pk oraz Ok), a czasami 2’C1’ (w USA układ Pacific, w Polsce Pm oraz Om). To parowozy z takim układem osiągały prędkość rzędu 120 - 175 km/h.
Koła w parowozie.
Koła napędowe najczęściej są szprychowe, rzadziej tarczowe lub typu boxpok, o dwóch sprasowanych tarczach z otworami. Te ostatnie stosowano na przykład w Anglii. Kiedy był stosowany układ trzech osi wiązanych (układ C) często koła drugiej osi miały zwężone obrzeża, aby łatwiej pokonywać łuki. Bywały także takie rozwiązanie gdzie środkowa oś nie miała obrzeży. Osie kół były zwykle wykonywane z drążonych walców. Zmniejszało to wagę i zwiększało wytrzymałość. Lecz w czasie wojny, często wykonywano osie nie drążone, aby przyspieszyć produkcję lokomotyw parowych. W kołach napędowych stosowano masy (ciężary), które mają wyważać koła obciążone masą od korbowodów i wiązarów.
Palenisko w kotle.
Z kołami pośrednio jest związana wielkość paleniska (rusztu). Czym większe koła to ruszt był bardziej wydłużany, aby zmieścić się między kołami. A to powodowało trudności w prawidłowym zasypywaniu węglem. Najlepiej było w małych parowozach z kotłami o małej wydajności oraz parowozach pospiesznych, gdzie ostania oś wiązana była przed paleniskiem i ruszt mógł być szeroki. Na przykład parowóz Pt47.
Ruszt o powierzchni do 3 m2 można pomieścić między blachownicami ostoi. Ruszt ma szerokość do 1,25 m. Kiedy powierzchnia rusztu ma mieć wielkość 6 m2 to długość byłaby około 5 m. Taki ruszt nie można prawidłowo zasypywać węglem. Dlatego palenisko podnosi się nad ostoję. Praktyka wykazała, że dobre zasypanie węglem można osiągnąć do 2,5 - 2,8 m długości.
W celu dobrego zasypania dużego i długiego rusztu opracowano podajnik, który nazwano stokerem. Sukces stokera był jednak połowiczny. W Polsce stokery montowano w niektórych typach lokomotyw parowych i to tylko w części egzemplarzy. Praktyka wykazała, że doświadczony palacz jest w stanie lepiej zasypywać ruszt, niż mechaniczny podajnik. Zwłaszcza przy gorszych gatunkach węgla. Dlatego po paru latach stokery zwykle demontowano.
Opis zdjęcia: W parowozie Ol49-100 skrzynia ogniowa wystaje poza ostoję i koła napędowe lokomotywy.
Silniki parowe.
W silnikach parowozów stosowane są cylindry dwustronnego działania, w których ciśnienie pary naciska na tłok na przemian z obu stron, umożliwiając jego ruch posuwisto - zwrotny, bez jałowych suwów.
Niezbędną częścią silnika jest rozrząd pary (nazywany także mechanizm paro - rozdzielczy lub stawidłem), który steruje otwieraniem i zamykaniem kanałów wlotu i wylotu pary w silniku. Rozrząd kolejno wpuszcza parę z jednej i drugiej strony tłoka oraz wypuszcza parę zużytą. Kolejność otwierania i zamykania kanałów określa kierunek jazdy parowozu. Najpowszechniej stosowany był rozrząd suwakowy w skrzyni suwakowej silnika. Suwak otwierał i zamykał wlot i wylot pary do cylindra. Początkowo suwaki były płaskie, ale ze wzrostem ciśnień zaczęto stosować suwaki tłokowe. Opracowano kilka rozwiązań konstrukcyjnych stawidła, które otrzymały nazwy od nazwisk swoich konstruktorów.
Początkowo parowozy miały silniki bliźniacze. Były to silniki z dwoma cylindrami, charakteryzujący się jednoczesnym dopływem pary do obydwu cylindrów, gdzie korbowody są przesunięte o 90 stopni. Ten typ silnika pozostał dominującą do końca ery budowy parowozów. Mimo dodawania trzeciego, a nawet czwartego silnika, bardziej ekonomiczne i łatwe w obsłudze były silniki dwucylindrowe. Są to silniki z pojedynczym rozprężaniem pary.
W 1876 roku, opracowano silnik sprzężony, o podwójnym rozprężaniu. Silnik opracował inżynier Anatol Mallet. Silnik sprzężony to taki w którym najpierw zachodzi obniżanie ciśnienia w cylindrach wysokoprężnych, a potem proces się powtarza w kolejnych cylindrach o coraz niższym ciśnieniu. Silnik sprzężony był w układach o dwóch, trzech i czterech stopniach rozprężania pary. W 1886 roku, inżynier Alfred de Glehn zastosował po raz pierwszy czterocylindrowy silnik sprzężony. Zwykle para pomiędzy cylindrami jest podgrzewana w przegrzewaczach wtórnych. Silniki sprzężone uzyskują wyższą sprawność od silników z jednostopniowym rozprężaniem pary, ale są bardziej skomplikowane. Silniki sprzężone zdominowały napęd parowców (statków i okrętów), natomiast rzadziej były stosowane w parowozach, gdzie mniejsze zużycie paliwa nie rekompensowało skomplikowanej budowy i obsługi oraz wyższych kosztów napraw. Jednak w niektórych krajach eksploatowano parowozy z tego typu silnikami. Parowozy eksploatowane w Polsce z silnikiem parowym poziomym sprzężonym to były: Oc1, Od2, Od13, Pn12.
Ostoja parowozu.
Ostoja parowozu jest podstawowy element konstrukcyjny parowozu. Do ostoi montowane są wszystkie podstawowe elementy parowozu: kocioł, silniki, koła napędowe i toczne, budka drużyny parowozu, oświetlenie, zbiorniki powietrza, sprężarki. W parowozach typu tendrzak, także skrzynie wodne i węglowe. Ostoje wykonywano z grubych blach lub profili stalowych, które są łączone nitami, a w XX wieku, także metodą spawania.
Z przodu i z tyłu każdej ostoi jest czołownica. Do czołownicy montowane są zderzaki (bufory) i sprzęgi (zaczepy). W czołownicy montowane są także złącza instalacji: pneumatycznej (hamulcowej), parowej (system ogrzewania), elektrycznej (system oświetlenia i ogrzewania). W parowozie typu tendrzak obie czołownice są jednakowe. W parowozie z tendrem czołownice mają inny system połączenia lokomotywy z tendrem.
W XIX wieku, parowozy budowano w ten sposób, aby wokół kotła był pomost, albo przynajmniej możliwość przemieszczania się obsługi, w celu dokonania przeglądu lub drobnej naprawy, nawet w trakcie biegu pociągu.
Komin kotła parowozu.
Początkowo kominy były wąskie i wysokie. Taki komin poprawiał ciąg kominowy i ułatwiał spalanie węgla. Kiedy w kominie zaczęto montować dyszę zużytej pary, kominy stały się niższe. Ta para poprawiała ciąg kominowy.
W drugiej połowie XIX wieku, na kominach lokomotyw montowano duże baniaste lub lejkowate odiskierniki. Chodziło o zminimalizowanie ryzyka powstania pożarów przy torach od iskier wylatujących z komina.
Urządzenia pomocnicze.
Dla celów sygnalizacyjnych parowozy są wyposażone w gwizdawki parowe, a w starszych konstrukcjach dzwony parowe lub pneumatyczne. W celu umożliwienia jazdy po zmroku parowozy otrzymały oświetlenie. Początkowo było to oświetlenie naftowe. Następnie oświetlenie elektryczne. Energia elektryczna była wytwarzana przez turbogenerator, czyli prądnicę poruszaną przepływającą parą. Dla hamowania stosowano hamulec mechaniczny, który był uruchamiany dźwignią przerzutową. Następnie hamulec mechaniczny był uruchamiany systemem parowym. Ostatecznie zastosowano hamulce działające na szczęki przy pomocy układu pneumatycznego. Układ pneumatyczny jest napełniany powietrzem pod ciśnieniem przez sprężarkę. W układzie hamulcowym są zbiorniki powietrza, główny a często i pomocnicze. Większe ciśnienie powietrza w układzie hamulcowym utrzymuje odhamowany układ. Gdy ciśnienie spada szczęki zaciskają się na kołach i pociąg hamuje. Spadek ciśnienia jest wymuszany przez maszynistę który uruchamia dźwignię kranu hamulca.
W lokomotywach parowych w USA stosowano duży przedni lemiesz, który nazywano cowcatcher. Taki lemiesz skutecznie odrzucał na bok gałęzie i inne przeszkody które znalazły się na torach. W Polsce stosowano lemiesze dwuczęściowe. Po jednym nad każdą z szyną. Dolna krawędź lemiesza od szyny była odsunięta o około 10 cm.
Tender.
Tender to rodzaj wagonu, który służy do przewozu zapasu wody i węgla dla zasilania parowozu. Pierwsze tendry miały układ podwozia dwuosiowy. W 1850 roku, pojawiły się tendry trzy osiowe. Były one standardem do wielkiej wojny światowej. Następnie standardem stały się tendry czteroosiowe, zwykle zamontowane w dwóch wózkach. Były także nieliczne konstrukcje tendrów pięcio-osiowych. Były także tendry nietypowe, z instalacją kondensacji przepracowanej pary, dla oszczędzania zapasu wody.
W Polsce tendry oznaczano: dwiema cyframi, dużą literą i dwiema lub trzema cyframi. Pierwsza liczba oznacza ilość zabieranej wody, na przykład 32 to 32 m3. Duża litera C oznacza trzy-osie w podwoziu. Liczba 45 to 1945 rok opracowania, a 202 to typ tendra amerykańskiego.
Opis zdjęcia: Typowy tender z drugiej połowy XIX wieku, typu 16C11. Zabiera 16 m3 wody i 7 ton węgla. Tender jest trzy-osiowy, konstrukcja nitowana. Resory piórowe, łożyska ślizgowe. W tyle jest skrzynka narzędziowa i oświetlenie naftowe. Tender zbudowany w Austrii.
Opracował Karol Placha Hetman