Strona główna » transport » Koleje parowe

Koleje parowe

Archiwum

Rewolucja energetyczna, czyli kolejna rewolucja przemysłowa, odbywa się także w transporcie. Nowe metody przeniesienia napędu lokomotyw i nowoczesne zaspoły trakcyjne  rewolucjonizują tę dziedzinę transportu. Jednak nic z tego nie dzieje się w oderwaniu od historii, a większość historii mechanicznego transportu lądowego to jednocześnie historia parowozu.

Efektywność energetyczna transportu lądowego szła zawsze w parze z rozbudową jego infrastruktury, a cała budowa infrastruktury rozpoczęła się  od spostrzeżenia, że sprawniej można transportować towary, jesli koń i ciągnięty przez niego wóz nie toną w błocie. Oprócz zastosowania większej siły dla wyciągania z błota, można było także rozwiązać problem podkładając pod koła kamienie lub drewniane belki. To był właściwy początek kolei. Oraz dróg. Ale kolej miała jedną wielką przewagę — wystarczyło specjalnego materiału użyć tam, gdzie przejeżdżają koła pojazdu. To było rozwiązanie tańsze, niż droga dla całej szerokości pojazdu..

Dalej wystarczyło się zastanowić, jak sprawić, aby nasz wóz nie spadał z tych specjalnie ułożonych belek lub kamieni prosto w błoto.  Razem z odpowiedzią na te pytanie mamy gotowy pierwszy system kolei, w tej postaci działający już w starożytności. Drewniane koła wozu ciągniętego przez konie poruszały się w specjalnym rowku ułożonym z kamieni lub wyciętym w drewnianej belce. W średniowieczu ten system był ulepszany i rozwijany, zwłaszcza w kopalniach. Kolejnym i ostatnim na tym etapie technologii pomysłem było obicie kół i drewnianych szyn żelazną blachą. To była całkiem spora rewolucja, spowodowała drastyczne zmniejszenie oporów toczenia i jeden koń już mógł ciągnąć kilka wozów. Na tym etapie wozy właściwie możemy nazywać wagonami.

Następne sto lat historii kolei, a raczej historii całego transportu lądowego, to jednoczesnie historia tylko jednego urządzenia — parowozu. Pierwsze lata tej historii mieszczą sie całkowicie w jednym kraju — Wielkiej Brytanii. Kolej epoki pary ukształtowała miasta i całe kraje, a przede wszystkim infrastrukturę transportową. To miało wpływ na efektywność transportu, produkcji, czyli na całą wydajność gospodarki i zamożność społeczeństwa.

Dlatego, aby rozumieć dzisiejszą infrastrukturę, trzeba choć w minimalnym stopniu rozumieć jak sieć kolei parowych powstała, czyli jak właściwie działa parowóz, jakie są jego mocne strony i ograniczenia.

Cofając sie do początków odkrywamy postać Roberta Stephensona. Nie był on ani wynalazcą maszyny parowej, ani pierwszą osobą, która ją zastosowała w transporcie lądowym. Nie był także pierwszym, który zbudował pojazd szynowy służący do ciągnięcia wagonów i napędzany parą. To wszystko już wcześniej było. Użycie maszyny parowej w transporcie było całkiem popularne 20 lat wcześniej, w pierwszym dzisięcioleciu XIX w, kiedy jednocześnie trwały wojny i problemy z dostawami żywności oraz wygasły patenty Jamesa Watta. Koszty utrzymania zwierząt pociągowych wystrzeliły w kosmos, a maszyny parowe gwałtownie staniały, więc starano się jakoś je zastosować wszędzie, gdzie było to możliwe, w tym w transporcie. Robiono różne dziwne wynalazki, aż w roku 1815 wszyscy z ulgą wrócili do koni…

Geniusz Stephensona polegał na tym,  że połączył wszystkie znane wcześniej rozwiązania w jeden spójny, sensowny system wzajemnie do siebie pasujących części, a cała maszyna była tak prosta jak to tylko możliwe, a jednoczesnie zaawansowana technicznie tam, gdzie było to niezbędne. Po prostu — doskonała inżynierska robota. Na tyle doskonała, że nikt już nigdy nie odszedł od idei, którą Stephenson przedstawił pokazując „Rocket” w 1830 roku. Kto próbował, ten ponosił wyłącznie techniczne i biznesowe klęski.

Jak  była zbudowana „Rocket”?

Na ramie zamontowano ustawiony poziomo boiler, z paleniskiem stanowiącym jego przedłużenie. Przez boiler przechodziły rury płomieniowe (co było jedynym nowym wynalazkiem) zwiększające powierzchnię wymiany ciepła. Dzięki temu boiler mógł dostarczyć znacznie więcej pary z tej samej objętości, o ile palenisko było wystarczająco wydajne. Oprócz tego para była dostarczana z kotła do maszyny parowej, która napędzała bezpośrednio koła, bez żadnych przekładni pośrednich.

Było to bardzo efektywne mechanicznie i energetycznie rozwiązanie, które pozwalało przekazać praktycznie dowolną moc na koła. Drugą jego zaletą było to, że powiększanie boilera oznaczało jedynie wydłużnie go, średnica była ograniczona szerokością ramy, a ta maksymalną szerokością pojazdu, ta zaś rozstawem torów. Oznaczało to także, że osie w żaden sposób nie mogły być skręcane w stosunku do pudła lokomotywy.

Boiler lokomotyw służył jednocześnie jako chwilowy zbiornik pary, stąd moc paleniska zawsze mogła być mniejsza od chwilowej mocy lokomotywy. Za to właśnie moc paleniska i produkcja pary ograniczała moc ciągłą.

Jednak stosowanie kotła, który jednocześnie jest zbiornikiem pary, łączyło się z jednej strony z niebezpieczeństwem potężnego wybuchu, z drugiej wagą, a z trzeciej z poważnym fizycznym limitem możliwego do wytrzymania przez kocioł ciśnienia. Po rozprężeniu i przekazaniu swojej energii w maszynie parowej para wędrowała przez komin do atmosfery, co nie poprawiało – delikatnie mówiąc – eksploatacji kotła. Mianowicie: do kotła wlewano wodę, która pomimo starań zawierała mniejsze lub większe ilości rozpuszczonych minerałów, a wychodziła z kotła wyłącznie para. Całość rozpuszczonych w wodzie składników mineralnych i organicznych pozostawała w kotle, co, pomimo spuszczania części wody, płukania, etc. i tak powodowało wytrącanie kamienia i jego zużywanie się wyraźnie szybsze niż reszty pojazdu. Co ważniejsze: problemy te rosły wraz ze wzrostem ciśnienia, jakie panowało w kotle, czyli też ciśnienia z jakim para z tego kotła wychodziła. A to temperatura pary, nieodłącznie związana z ciśnieniem, decyduje o sprawności cieplnej. Kiedy parowóz był po prostu jedynym możliwym środkiem szybkiego lub ciężkiego transportu lądowego, to nie miało aż tak wielkiego znaczenia. W momencie gdy pojawiły się silniki diesla, parowóz szybko został zdeklasowany pod względem sprawności energetycznej, czyli zużycia paliwa w stosunku do wykonanej pracy. Pozostały jednak jego całkiem spore zalety, nie licząc boilera — cała maszyna jest niezwykle trwała i niezawodna oraz jako jedyny pojazd może być, i zwykle jest, zasilana paliwem stałym.

Brak elastycznego połaczenia pomiedzy kołami a ramą oznaczał, że przy liczbie osi większej niż dwie, środkowa(e) z nich na ostrych łukach wychylay się poza szyny. To zwiększało nacisk na pozostałe osie i dodatkowo obciążało szyny, albo wymagało sporego komplikowania budowy i przede wszystkim łagodnych łuków na trasie. Granicą, do której doszła jedna z kolei w USA, dla szybkich i ciężkich pociągów towarowych na równinach Zachodu było 6 osi napędzanych. W Związku Radzieckim co prawda zbudowano lokomotywę z 7 osiami, ala zakończono jej ekploatację po jednym kursie, gdy pojazd ten zniszczył wszystkie  rozjazdy i sporą część szyn na łukach. Nigdzie indziej nie stosowano jednak ilości większej niż 5 osi napędzanych, przynajmniej do czasu wprowadzenia systemu Malleta i później Garrata.

Kolejnym problemem spowodowanym przez połączone osie było nie za dobre trzymanie się toru jazdy i torów w ogólności czyli — parowozy lubiły się wykolejać. Rozwiązaniem było dołożenie z przodu osi, lub lepiej dwuosiowego wózka, który dzięki elastycznemu połączeniu i możliwości skręcania nadawał całej lokomotywie właściwy tor jazdy po szynach. Niestety, jednocześnie część masy lokomotywy nie była przekazywana na napędzane koła. To oznacza zawsze mniejszą maksymalną siłę pociągową przy danej masie. W zastosowaniach, gdzie nam na takiej maksymalnej sile zależy, czyli generalnie ciężkich pociągach lub górskich trasach, parowozy od których oczekiwano prędkości sprawowały się dużo gorzej niż diesle czy lokomotywy elektryczne. Jeśli znacznych prędkości nie oczekiwano, to cała masa mogła spoczywająć na osiach napedzanych, ale wtedy maksymalna prędkość takiego pojazdu nie mogła przekraczać okolic 60 km/h, a i aż tyle jeśli tych osi były dwie lub trzy, a nie pięć.

Jest to bardzo dalekie od szczegółowego opsu technologii, czy sposobu wykonania, ale daje całkiem dobry obraz tego, czego można od parwozów oczekiwać jeszcze dziś:

  1. Potrzebuja jakiegoś paliwa do ogrzania wody i wytworzenia pary, ale może to być paliwo zupełnie dowolne, dowolnej jakości i stanu. Wszystko zależy od jakości paleniska i procesu spalania, co na dziś nie jest problemem (jesli nie liczyć polskich producentów tzw. pieców). Co prawda tego paliwa, licząc wartością energetyczną, spalą co najmniej dwa razy tyle co diesel dla wykonania tej samej pracy.
  2. Jest zasadniczo niemożliwe zbudowanie praktycznego parowozu o masie mniejszej niż 4-6 ton. To i tak są znikome wielkości, właściwe dla dawnych kolei polowych, ale ciągle dużo za dużo dla jakiegokolwiek transportu indywidualnego, przewozu niewielu osób, czy małych i lekkich ładunków. Tak małe pojazdy i tak w praktyce musiały być dostosowane do mniejszego rozstawu szyn, co tworzyło co najmniej 2 rozstawy szyn i standardy kolei w każdym systemie.
  3. Największe praktycznej wielkości parowozy mogły mieć do 5 osi napędzanych, przy nacisku na oś rzędu 18 ton. Te 90 ton działające na tory pomnożone przez współczynnik tarcia to maksymalna praktycznie możliwa siła pociągowa klasycznej lokomotywy parowej. Współczesna, sześcioosiowa lokomotywa towarowa na tych samych torach może mieć nacisk na oś rzędu 20 ton, co daje masę na osiach napędzanych 120 ton, i proporcjonalnie większą siłę pociągową. To porównanie jest prawdziwe jedynie zakładając, że parowóz miał dobrze dobraną wielkość kotła do masy pociągowej, etc., co w epoce pary było raczej wyjątkiem niż regułą. Czyli regułą była maksymalna moc bliższa najwyżej połowy dzisiejszej lokomotywy towarowej.
  4. Z racji minimalnej rozsądnej wielkości boilera, praktycznie niemożliwe było zbudowanie efektywnych i tanich w eksploatacj wagonów parowych,  w epoce pary nawet na najmniej obciążonych trasach jeździły lokomotywy ciągnące wagony
  5. Bezpośrednie połączenie maszyny parowej i kół oznaczało brak przekładni, czyli także możliwości zmiany przełożeń. To oznacza, że praktyczna prędkość skokowa ograniczała szybkość maksymalną, która znów była zależna od średnicy kół. Dlatego przy absurdalnie wielkiej średnicy kół rzędu 2 metrów, prędkości maksymalne w zwykłym ruchu wynosiły w okolicach 150 km/h.
  6. W epoce pary trakcja wielokrotna była zasadniczo niemożliwa. Na krótkich odcinkach i przy bardzo małych prędkościach czasem używano 2 lokomotyw dla przepchnięcia pociągu przez nachylenie z którym pociąg sobie mógł nie poradzić. Na normalnych trasach było to niemożliwe, bo próba synchornizacji i równej pracy dwóch pojazdów z dwoma załogami mogła spowodować jedynie kolejne katastrofy.
  7. Dzięki zapasowi pary w kotle, moc startowa zawsze była większa, czasem dużo, od mocy ciągłej. To oznaczało, że parowóz, jesli tylko starczało przyczepności mógł wystartować dowolny pociąg oraz przez pewien czas przyspieszać szybciej i sprawniej niż diesel analogicznej mocy. Dla pociągów pasażerskich lepsze przyspieszenie oznacza krótszy czas przejazdu, dla towarowych cięższe składy, choć kosztem prędkości. W obu przypadkach tarcie, czyli przyczepność była czynnikiem krytycznym, co wymuszało najmniejsze możliwe nachylenia torów, co powodowało dość solidne koszta budowy linii. Przez limit liczby osi, które można było w rozsądny sposób napędzać, jedynym sposobem na zwiększenia masy pociągów, czyli towarów, czyli zarabianych pieniądzy była rozbudowa sieci lub zwiększanie nacisku na oś, lub zmniejszenie nachylania torów — czyli budowa wiaduktów i tuneli. W końcowym etapie rozwoju parowozów pojawiły się elastyczne połaczenia pozwalające na przesłanie pary pod ciśnieniem- to pozwoliło na zamontowanie osi napedowych w wózkach jezdnych, czyli podwojenie ilości osi napędowych. Ale to już był koniec możliwości rozwoju, nadal nieporównywalny do możliwości dzisiejszych diesli na głównych liniach, o lokomotywach elektrycznych nawet nie mówiąc.

Po stu latach pary doszła do tego następna alternatywa — elektryfikacja. Co jest tematem na inną okazję.

Dziś można powiedzieć, że gdyby ktoś był na tyle szalony, aby wracać do kolei parowych, to mają i mogą mieć one swoje nisze. Jedna to oczywiście wszelkiego rodzaju pociągi turystyczne, które są i mają się dobrze dookoła świata, a ich pasażerowie kochają płacić absurdalne ceny za przejażdżkę pociągiem ciągniętym przez parowóz. Z powyższego wyliczenia jednak widać wyraźnie inne miejsca: pociągi towarowe na bocznych, niezelektryfikowanych liniach. Jesli prędkości maksymalne rzędu 50-60 km/h są  dopuszczalne, oraz łatwo dostępne są paliwa kilkukrotnie tańsze niż diesel (licząc wartością opałową), to taki pojazd może mieć sens. Nawet dziś, w XXI wieku.

Przynajmniej dopóki nie policzy się kosztów eksploatacji i logistyki kolejnego po dieslach i lokomytawch elektrycznych rodzaju  pojazdu z kompletnie innym od wszystkich rodzajem napędu i paliwa.

Reklamy

2 Komentarze

  1. Jaszysz pisze:

    Tu ciekawy artykuł nt. modyfikacji konstrukcji parowozów, w celu podniesienia ich sprawności energetycznej:
    http://czysteogrzewanie.pl/2014/04/wegiel-i-para-na-kolei-bylo-ale-czy-minelo/

  2. Znam, czytałem. Generalnie stronę polecam, a i ten tekst z wielką przyjemnością przeczytałem ponownie. O spalaniu maja naprawdę pojęcie, o trakcji trochę mniejsze, ale spokojnie można ufać każdemu słowu. Przyjemnie się czyta i żadnych błędów nie znalazłem. A sam robiłem kotły i podobne rzeczy 5 km od dawnego domu wspomnianego Dante Porta.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s

Follow rewolucja energetyczna on WordPress.com
%d blogerów lubi to: