Młody
Technik
PAROWÓZ TO
KOCIOŁ I...
Kwiecień
1998
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.. Teraz trzeba tylko nadążyć za rosnącymi wciąż potrzebami
i wymaganiami stawianymi kolejom: muszą jeździć coraz prędzej, ciągnąć coraz
większe ciężary ( muszą zatem być coraz silniejsze, coraz wydajniejsze.
Źródłem całej siły, całej mocy parowozu jest kocioł i to co w nim ( przyjrzyjmy
mu się bliżej. Można wprawdzie zacząć od opisów kolejnych ulepszeń,
udoskonaleń, nowych pomysłów, ale ciągle nie będzie odpowiedzi na
zasadnicze pytania, jakie powinien stawiać technik: dlaczego właśnie tak? w
jakim to celu? co to dało?
Kocioł ówczesnych parowozów miał już palenisko w skrzyni ogniowej
otoczonej wodą, rury ogniowe, skrzynię dymową czyli dymnicę, ciąg wywołany
ulatującą parą. Spróbujmy jednak spojrzeć do środka kotła, przyjrzeć się
dokładniej co się tam dzieje. Nie obejdzie się jednak bez przypomnienia sobie
kilku wiadomości z lekcji fizyki.
Przy normalnym ciśnieniu woda wrze w temperaturze 100 stopni C, a przy
wzroście ciśnienia temperatura wrzenia rośnie. W kotle parowozu z tamtych lat
ciśnienie rzadko przekraczało 4 atmosfery i przy tym ciśnieniu temperatura
wrzenia wynosi już 144 deg. C. (...)
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, nawet rozsadzenie cylindra. Wprawdzie w dnach cylindra
umieszczano zawory bezpieczeństwa (bezpieczniki), pod cylindrem są
umieszczone kurki odwadniające, ale trudno przewidzieć, kiedy nastąpi awaria i
przedtem odwodnić. 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 byłą Invicta Richarda Trevithicka, z
cylindrem długości 137 cm i prawie 19 litrów pojemności. A jednak jechała.
Tak, użycie pary nasyconej nie jest najlepszym rozwiązaniem. Jaka więc rada?
Parę pobraną z kotła trzeba dodatkowo ogrzać, na przykład przez
przepuszczenie jej rurami umieszczonymi w strumieniu gorących spalin,
otrzymując parę przegrzaną. Z jednego kilograma wody w temperaturze 2000C
otrzymuje się 125 litrów pary o prężności 15 atm, ale przy tym samym ciśnieniu
w temperaturze 3500C będzie tej pary 165 litrów, o 1/3 więcej, przy znikomo
większym zużyciu opału. To jeszcze nie wszystkie korzyści: para przegrzana
zachowuje się jak gaz i wpuszczona do cylindra rozpręża się nie skraplając się i
wykonując większą pracę. (...) Zysk spowodowany przegrzewaniem pary
wynosi nawet 25% paliwa i ( co jest równie ważne ( do 40% wody, przy
uzyskaniu większej siły pociągowej. Oszczędności to sprawa ważna, ale od
parowozów wymagano też coraz większej mocy. Większa moc parowozu to nie
tylko para o lepszych parametrach, ale także jej więcej. To więc większe kotły i
większe paleniska, trzeba spalić więcej węgla, a do tego potrzeba więcej
powietrza. Powietrze jest doprowadzane przez ruszt, musi więc mieć większą
powierzchnię. Przy wymaganych niewielkich powierzchniach (do 3 m2) ruszt
można zmieścić między ostojnicami (belkami ramy), przy większych ( jego
szerokość jest ograniczona odległością między kołami. Tu może być 1200(1250
mm, co przy wymaganej powierzchni 6 m2, a to wcale nie najwięcej, daje
długość 5 m! I cały ten ruszt trzeba równomiernie, przez wąski otwór drzwiczek
zasypać węglem, w dużych parowozach nawet parę ton w ciągu godziny pracy.
(...)
W klasycznym kotle Stephensona palenisko było umieszczone w skrzyni
ogniowej i ze ścianami kotła, a właściwie tej jego części, która nazywa się
stojakiem, połączone setkami jakby poprzeczek, czyli zespórek.
W przedniej ścianie skrzyni ogniowej (zwanej sitową) są osadzone rury
ogniowe i połączenie to musi być szczelne. Wszystkie elementy kotła przy
zmianach temperatury, nie tylko podczas rozpalania, ale także ( na przykład
( przy uzupełnianiu wody, przemieszczają się względem siebie, muszą zatem
mieć pewną swobodę ruchu bez utraty szczelności i przy zachowaniu trwałości
konstrukcyjnej. To jest bardzo trudne zadanie dla konstruktorów i technologów.
Wymyślano więc najróżniejsze sposoby: od klasycznych kształtów z setkami
zespórek i wieszaków, przez skrzynię o płaskim stropie (systemu Belpairea),
wykonania skrzyń paleniskowych z blach falistych, aż do ich umieszczania poza
właściwym walczakiem kotła. W 1898 roku inżynier Brotan skonstruował,
wzorując się nieco na rozwiązaniach kotłów stałych, kocioł wodnorurkowy, w
którym na drodze gorących spalin były umieszczone cienkie rurki z
przepływającą w nich wodą. (...)
Wróćmy jeszcze do połowy ubiegłego wieku. Od parowozu wymaga się coraz
większej siły, kocioł musi dać coraz więcej pary, ciepło spalania musi być lepiej
wykorzystane, większa musi być powierzchnia ogrzewalna. Zrozumiał to
Stephenson i już w roku 1841 zbudował parowóz Longboiler, czyli długi
kocioł, prawie dwukrotnie go przedłużając (z 2,44 do 4,26 m) i osiągając
powierzchnię ogrzewalną 88 m2. Uwagę zwróciła jednak maszyna zbudowana
przez Cramptona w 1845 roku, w której powierzchnia ogrzewalna miała już 210
m2. Koło napędne o średnicy ponad 2 m umożliwiło przekroczenie prędkości
100 km/h. (...)
Coraz większa moc, coraz większe palenisko... A tu: parowóz bez komina, czyli
także bez paleniska. To "pasożyt", tak kolejarze nazywali te, bardzo pracowite
parowozy bezogniowe. W wielki zbiornik, bardzo dobrze izolowany termicznie,
napełniony do 1/3 gorącą wodą wtłaczano pod ciśnieniem kilkunastu atmosfer
parę przegrzaną z kotła stałego (np. elektrowni). Otwarcie przepustnicy
powodowało obniżenie ciśnienia, zmniejszała się temperatura wrzenia, woda
zaczynała wrzeć, powstawał nowy zasób pary... I tak, nawet przez 3(4 godziny
pracy.
Przez lata całe kocioł parowozu stawał się zespołem coraz doskonalszym, ale i
coraz bardziej wyrafinowanym technicznie i konstrukcyjnie. Każdy jego
element był wynikiem wieloletnich, nieraz bardzo dotkliwych bo powodujących
katastrofy, doświadczeń, studiów. Kocioł "obrastał" urządzeniami
dodatkowymi, ale niezbędnymi do jego funkcjonowania: przyrządami
kontrolnymi i pomiarowymi, klapami rewizyjnymi i wyczystkami,
odmulaczami, zaworami i innymi urządzeniami bezpieczeństwa, pompami
wody i jej podgrzewaczami, inżektorami, dyszami, dmuchawkami i
dziesiątkami metrów rur i rureczek, na kotle umieszczano prądnice i sprężarki,
gwizdawki i syreny... I to wszystko było gorące, dyszące, jakby żywe. I tu
chyba jest tajemnica uroku pociągów parowych, tego niepowtarzalnego ciepła.
Tego nie znajdziemy w parowozach nowej generacji. Tu nie ma pary syczącej z
jakichś nieszczelności, buchającej z komina razem z dymem, bo tu każda
kaloria ciepła ze skraplającej się pary musi wrócić do kotła, nie ma tego ciepła,
bo wszystkie części są starannie izolowane. Już nie ma parowozu jakiego
znamy z obrazków, jakiego pamiętamy.
Jest! Są jeszcze gorące parowozy ciągnące pociągi. Takie spotkanie jest
możliwe na przykład w Muzeum Kolei Wąskotorowej, niedaleko Warszawy, w
Sochaczewie, gdzie są największe w Europie zbiory taboru wąskotorowego.
Tam też w sezonie turystycznym można pojechać półwiecznym pociągiem
prowadzonym przez czynny parowóz, można obejrzeć, dotknąć, poczuć zapach
dymu i pary, ubrudzić się i sparzyć. Może to już ostatnia okazja.
Tadeusz Dąbrowski