Lokomotywa parowa-opis.pdf

Parowóz

Rok 1830 to rok wyznaczający ważny etap w rozwoju kolejnictwa. Od pierwszych prób maszyny

parowej na torze minęło zaledwie ćwierć wieku, a już kolej stała się ważnym i sprawdzonym środkiem

transportu. Były już tory, wagony i parowóz...

Źródłem całej siły, całej mocy parowozu jest kocioł i to, co w nim.

Kocioł ówczesnych parowozów miał już palenisko w skrzyni wodnej otoczonej wodą, rury ogniowe,

skrzynię dymowa czyli dymnicę, ciąg wywołany ulatującą parą.

Kilka wiadomości z fizyki: przy

normalnym ciśnieniu woda wrze w

temperaturze 100 ºC, a przy wzroście

ciśnienia temperatura wrzenia rośnie. W

kotle parowym z tamtych lat ciśnienie

rzadko przekraczało 4 atmosfery i przy

tym ciśnieniu temperatura wrzenia

wynosi już 144ºC. ( 1 atmosfera=1013

hPa )

Rys 1. Najprostszy kocioł parowy

Na ruszcie pali się węgiel, gorące

spaliny przechodząc przez rury ogniowe

ogrzewają wodę w kotle, woda zaczyna

wrzeć - wytwarza się para, rośnie

ciśnienie, wzrasta temperatura wrzenia.

Para powstaje w bezpośredniej styczności z wodą, są w niej nawet maleńkie kropelki – jest to para

mokra, nasycona wodą. Maszynista otwiera zawór, tu nazywany przepustnicą, i część pary przepływa

do cylindra. Jednocześnie z otwarciem przepustnicy maleje ciśnienie w kotle i woda zaczyna

gwałtownie wrzeć, para porywa kropelki wody razem ze szlamem i innymi zanieczyszczeniami,

zwłaszcza jeżeli tej pary jest w kotle niewiele. Próbując temu choć częściowo zaradzić na kotle

umieszczano duże, wysokie baniaki do gromadzenia pary, czyli zbieralniki pary.

Po drodze para styka się z chłodniejszymi częściami: rurami, ściankami cylindra i natychmiast skrapla

się, przestając być użyteczna, nie wykona już żadnej pracy. Skroplona w cylindrze, pod naciskiem tłoka

może spowodować pęknięcie a nawet rozsadzenie cylindra. Para nasycona wpuszczona do cylindra

ciśnie na tłok powodując jego ruch, a przestrzeń cylindra po tej stronie tłoka powiększa się. W większej

objętości para zmniejsza prężność, trzeba dopuścić więcej świeżej, aby tłok na całej swej drodze

poruszał się z jednakową siłą. Teraz chyba łatwiej będzie ocenić jak niesprawną maszyną była Invicta

Richarda Trevithicka, z cylindrem długości 137 cm i prawie 19 litrów pojemności. A jednak jechała!

Użycie pary nasyconej nie jest najlepszym rozwiązaniem. Parę pobraną z kotła trzeba dodatkowo

ogrzać, np. przez przepuszczenie jej rurami umieszczonymi w strumieniu gorących spalin, otrzymując

parę przegrzaną. Z jednego kg wody w temperaturze 200ºC otrzymuje się 125 litrów pary o prężności

15 atm., ale przy tym samym ciśnieniu w temperaturze 350ºC będzie tej pary 165 litrów, o 1/3 więcej,

przy znikomo większym zużyciu opału. Poza tym para przegrzana zachowuje się jak gaz i wpuszczona

do cylindra rozpręża się nie skraplając się i wykonując większą pracę.

Rys. 2 Różne rodzaje kotłów parowych

a. na parę nasyconą

b. na parę przegrzaną - system Schmidta

c. na parę przegrzaną - system Pielocka

Pierwsze próby przegrzewania pary już w 1839 roku podjęli w Anglii bracia Hawthornowie,

umieszczając w dymnicy komorę z rurkami prowadzącymi parę mokrą. Dopiero w 1897 roku Wilhelm

Schmidt opracował prawie udany przegrzewacz, który po licznych próbach i doświadczeniach, w rok

później zastosował z dużym powodzeniem. I to rozwiązanie, z rurami parowymi w kształcie litery U

umieszczonymi w rurach ogniowych o większej średnicy, zwanych płomienicami, jest najbardziej

rozpowszechnione we wszystkich prawie krajach.

Zysk spowodowany przegrzaniem pary wynosi nawet 25% paliwa i – co jest równie ważne – do 40%

wody, przy uzyskaniu większej siły pociągowej. Większa moc parowozu to nie tylko para o lepszych

parametrach, ale także większa jej ilość. Tak więc trzeba było budować większe kotły i paleniska.

Powietrze do spalania węgla doprowadzane jest przez ruszt, musi więc on mieć większa powierzchnię.

Rys. 3 Ruszt powinien mieć dużą powierzchnię

Przy wymaganych niewielkich powierzchniach (do 3 m 2 ) ruszt można zmieścić miedzy ostojnicami

(belkami ramy), przy większych – jego szerokość jest ograniczona odległością między kołami. Tu może

być 1200 – 1250 mm, co przy wymaganej powierzchni 6 m 2 , a to wcale nie najwięcej, daje długość 5

metrów. I cały ten ruszt trzeba równomiernie, przez wąski otwór drzwiczek zasypać węglem, w dużych

parowozach nawet parę ton w ciągu godziny pracy. Bardzo duże ruszty umieszczone między kołami

musiały by mieć długość 6,5 metra. Umieszczono je więc wyżej i na całą szerokość parowozu. To

właśnie, między innymi, nadaje charakterystyczny wygląd parowozom amerykańskim: bardzo szeroki w

dolnej części stojak kotła i małe koło toczne pod budka maszynisty (rys 3-c) Ręczna obsługa paleniska

jest możliwa przy długości rusztu do 2,8 m, przy większej długości paliwo trzeba wrzucać

mechanicznie. Już na początku XX wieku w Stanach Zjednoczonych wymyślono mechaniczny podajnik

węgla w postaci jakby łap wrzucających rozdrobnione kawałki węgla podawane z tendra przenośnikiem

śrubowym, a całe to urządzenie nazwano stokerem.

Samo spalanie paliwa na ruszcie to proces bardzo skomplikowany i wymagający dużych kwalifikacji i

doświadczenia obsługi. W pierwszym etapie paliwo spala się na ruszcie , z małą ilością powietrza: tu

oprócz spalania następuje również częściowe zgazowanie węgla. Ten palny gaz uchodzi razem ze

spalinami do rur ogniowych, gdzie częściowo dopala się, bardzo niekorzystnie podnosząc temperaturę

ściany sitowej; reszta ulatuje bezużytecznie. Wymyślono na to prosty sposób: nad rusztem

umieszczono sklepienie z cegieł szamotowych. Teraz droga jest dłuższa, spalanie jest prawie

całkowite , a pomaga w tym dodatkowy dopływ powietrza przez dysze w bocznych ścianach skrzyni

ogniowej.

Wiele było pomysłów, wiele rozwiązań; niektóre po wielu latach, w nowym opracowaniu stały się

podstawą konstrukcji kotła parowozu nowej generacji, o bezdymnym, fluidalnym spalaniu i o całkowitej

sprawności prawie trzykrotnie większej niż w parowozie klasycznym.

opracował: mgr inż. Ireneusz Kulczyk

Rozrząd silnika parowozu

Lokomotywa parowa, czyli parowóz, to pojazd szynowy poruszany siłą pary, pary pobieranej z kotła i

doprowadzanej do silnika. Silniki pierwszych parowozów były wzorowane na stacjonarnych, o

pionowych cylindrach i z przeniesieniem napędu za pośrednictwem dwuramiennych dźwigni, zwanych

balansjerami.

Wyjątkiem, dobrze świadczącym o intuicji twórcy, była Invicta Trevithicka: zastosował wprawdzie jeden,

ale poziomy cylinder i proste przeniesienie napędu przez korbowód na koło zamachowe, zaopatrzone

w przeciwwagę. Poziome lub lekko ukośne ułożenie cylindrów przy skrzyni dymowej przyjęło się na

dobre od połowy lat czterdziestych XIX wieku i jest uznawane za kanon konstrukcji. W roku 1833

George Stephenson z synem Robertem zbudowali trzyosiowy parowóz Patent, w którym cylindry

umieścili wewnątrz ostoi. Niedoskonałe jeszcze mechanizmy wymagały jednak stałego dozoru i

lepszym rozwiązaniem było umieszczenie całego silnika na zewnątrz ramy – w pojazdach szynowych

nazywanej ostoją. I tak, zaczął się do dziś nie rozstrzygnięty spór, który układ konstrukcyjny jest lepszy.

Cylindry i mechanizmy silnika wewnątrz ostoi są mniej narażone na uszkodzenia, mają mniejsze straty

ciepła, a ruchome masy znajdują się bliżej osi pojazdu, co zapewnia spokojny bieg. Oczywistymi

wadami są: bardzo utrudniony dostęp i konieczność stosowania trudnej do wykonania osi napędowej z

wykorbieniami. Główną wadą silnika umieszczonego na zewnątrz jest, zwłaszcza przy niewyważonych

jeszcze wtedy kołach, bardzo niespokojny bieg. Mimo niedogodności rozwiązanie z silnikiem

wewnętrznym przyjęło się w Anglii, na kontynencie powszechniejsze były konstrukcje z silnikiem

zewnętrznym.

Nośnikiem energii z kotła do silnika w pierwszych parowozach była para nasycona (czyli mokra),

później – znacznie korzystniejsza pod względem energetycznym para przegrzana (sucha).

Para nasycona wpuszczona do cylindra oziębiając się traci prężność, trzeba więc ciągle dostarczać

świeżą, aż do końcowego położenia tłoka. Wtedy można zamknąć kanał wlotowy i otworzyć wylotowy,

ale para opuszczająca cylinder ma jeszcze spory zasób energii, możliwej do wykorzystania w innym

cylindrze. Takie podwójne rozprężanie pary, czyli podwójna ekspansja, jest korzystne zwłaszcza w

silnikach zasilanych parą przegrzaną. Tu, para wylotowa ma jeszcze spora prężność i można ją

doprowadzić do cylindra niskoprężnego, umieszczonego z drugiej strony parowozu. W takim silniku,

zwanym sprzężonym albo compaund , praca cylindra niskoprężnego jest uzależniona od pracy cylindra

wysokoprężnego.

Rysunek poniżej przedstawia różne rozwiązania napędu lokomotyw z zastosowaniem silników

niskoprężnych (cienkie cylindry) i wysokoprężnych (grubsze cylindry) oraz układów sprzężonych.

powiększ miniaturę

W silnikach o dwu jednakowych cylindrach (silnikach bliźniaczych) siły działające na koła napędowe są

jednakowe. W układach sprzężonych sytuacja wygląda nieco inaczej. Na tłok silnika niskoprężnego

działa siła mniejsza i dla zachowania równowagi sił musi on mieć odpowiednio większą powierzchnię;

ponadto częściowo rozprężona para ma większą objętość – cylinder niskoprężny musi być większy, o

pojemności około 2,5 raza większej.

W silniku parowozu prawa korba jest przesunięta (wyprzedza) o 90º względem lewej, dzięki czemu w

każdym położeniu silnik może ruszyć. Jeśli w silniku sprzężonym tłok cylindra wysokoprężnego

pozostał w którymś skrajnym położeniu to praktycznie silnik nie ma możliwości startu – trzeba

stosować dodatkowe urządzenia rozruchowe i wpuścić świeżą parę do cylindra niskoprężnego. Są to

wyraźne straty energii. Coś w rodzaju dzisiejszego nadmiernego spalania paliwa.

Podwójne rozprężanie pary, od dawna stosowane w silnikach stacjonarnych, próbowano wykorzystać

w parowozach już w latach trzydziestych XIX wieku (Andre Koechlin, 1834), ale pierwszy prawidłowo

działający parowóz z silnikiem sprzężonym zbudował szwajcarski inżynier Anatol Mellet dopiero w roku

1876. Rok później opatentował rozwiązanie z silnikiem sprzężonym czterocylindrowym, przy czym dwa

cylindry wysokoprężne i dwa niskoprężne były umieszczone na oddzielnych wózkach, ale ten pomysł

został zrealizowany dopiero po dziesięciu latach. Stosowano też układy trzech i czterech cylindrów

pracujących na jedną oś napędną lub na dwie (wewnętrzne na pierwszą, zewnętrzne na drugą),

cylindry ustawione jeden za drugim, o wspólnym trzonie tłokowym (układ tandem), a nawet jeden nad

drugim.

Oszczędności wynikające z podwójnego rozprężania pary szacowano na 10 – 12% paliwa i 8 – 10%

wody w porównaniu z parowozami bliźniaczymi o podobnych parametrach. Biorąc pod uwagę bardziej

skomplikowaną konstrukcję i konieczność stosowania dodatkowych urządzeń rozruchowych silniki

sprzężone okazały się korzystne przy dużym ciśnieniu i do obsługi określonego rodzaju pociągów.

Stosowano je głównie tam, gdzie liczyła się nawet najmniejsza oszczędność (Niemcy, Austria,

Francja). W Anglii, gdzie był dostatek węgla – w zasadzie nie były stosowane.

Sterowanie napełnianiem cylindrów parą i jej wypuszczaniem do atmosfery zapewnia tzw. rozrząd

wewnętrzny.

rys. Rozwiązania wewnętrznego

rozrządu pary

a/ z suwakiem płaskim

b/ z suwakiem tłoczkowym

c/ silnik przelotowy z zaworami

grzybkowymi

W parowozie Trevithicka zadanie to spełniały kurki poruszane cięgnami od mechanizmu korbowego

(rozrząd zewnętrzny). W zasadzie jednak wzorowano się na mechanizmach stosowanych w

maszynach stacjonarnych, czyli suwakach. Wymaganą szczelność uzyskiwano przez dociskanie

suwaka do gładzi, co jednak powodowało duże opory tarcia, zwiększane przez nacisk pary na suwak.

W konstrukcjach odwrotnych świeżą parę wpuszczano pod suwak, a wylotową wypuszczano do

skrzyni suwakowej, ale ciśnienie pary unosiło suwak powodując odszczelnienie. Też niedobrze.

Rozwiązaniem nie mającym tych wad był suwak tłoczkowy, stosowany z najróżniejszymi odmianami aż

do ostatnich konstrukcji epoki pary.

Silnik tłokowy pracuje ruchem posuwisto-zwrotnym i przy dużej prędkości bezwładność mas części tak

poruszających się ma już znaczący wpływ na pracę silnika. Przyjmuje się, że prędkość ruchu w

typowym silniku parowozu nie powinna przekraczać 4 – 5 suwów na sekundę. Przy takiej częstotliwości

suwów do uzyskania prędkości 120 km/h (około 33 m/s) koło napędne musi mieć średnicę ponad dwa

metry! Zwiększenie prędkości ruchu komplikuje jednocześnie rozrząd pary, a w ciągu 0,2 sekundy

trzeba otworzyć kanały wlotowe, napełnić cylinder parą, rozprężyć ją, zmienić kierunek jej przepływu,

otworzyć kanały wylotowe i wypuścić parę do atmosfery.

Próbowano uniknąć ruchu posuwisto-zwrotnego zespołów mechanizmu rozrządu pary stosując suwaki

obrotowe, czy nawet zawory grzybkowe, jak w silnikach spalinowych. Nie spełniły one jednak

wszystkich oczekiwań i nie znalazły szerszego zastosowania. W Polsce zastosowano je

doświadczalnie w parowozie serii Os24. Jeszcze innym pomysłem była maszyna parowa z cylindrem

przelotowym (Stumpfa), w którym para przepływa tylko w jednym kierunku, do kanałów wylotowych w

środku cylindra.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: