Silnik parowy
Silnik parowy jest formą silnika parowego używanego do lekkich lokomotyw i lekkich samobieżnych wagonów silnikowych używanych na kolei. Początki wagonów parowych dla kolei sięgają co najmniej lat pięćdziesiątych XIX wieku, jeśli nie wcześniej, jako eksperymentalna ekonomizacja dla kolei lub kolei z budżetami krańcowymi. Wydaje się, że te pierwsze egzemplarze, przynajmniej w Ameryce Północnej, były wyposażone w lekkie silniki tłokowe oraz napędy bezpośrednie lub przekładniowe lub przekładnie łańcuchowe bez końca. Większość zawierała wagon pasażerski przymocowany (zwykle na sztywno) do silnika i jego kotła. Typy kotłów różniły się we wcześniejszych przykładach, z kotłami pionowymi dominującymi w pierwszej dekadzie (jako oszczędność miejsca), a następnie z kotłami poziomymi o bardzo małej średnicy. Inne przykłady wagonów z silnikiem parowym zawierały nadwozie typu ekspresowego lub bagażowego, z urządzeniem sprzęgającym przewidzianym w celu umożliwienia wagonowi parowemu ciągnięcia lekkiego wagonu pasażerskiego. Wczesny przykład z urządzeniem typu „wszystko w jednym” (autokar, bagaż, poczta i / lub przesyłki ekspresowe) został sfotografowany podczas pracy na kolei Nashville, Chattanooga i St. Louis podczas wojny secesyjnej w Tennessee, około 1863-64. Jedna amerykańska firma, Grice & Long, opracowała różne wersje w połowie lat 60. XIX wieku do użytku na podmiejskich i miejskich kolejach ulicznych, korzystając ze swoich zastrzeżonych patentów mechanicznych. W latach trzydziestych XX wieku niektóre wysoce rozwinięte silniki parowe stanowiły jeden z końcowych osiągnięć lokomotywa parowa . Równoległy rozwój wagonów silnikowych o napędzie spalinowym lub elektrycznym okazał się najbardziej popularny około lat 1900-1950 i eliminował potrzebę stosowania wagonów parowych.
Zasady
Najwyraźniej wszystkie samochody parowe były uzależnione od ekonomicznego sprzętu napędowego i źródła pary. Łatwość konserwacji była najwyraźniej kolejną ważną kwestią, przynajmniej w takim samym stopniu, jak początkowe koszty produkcji. Zasadą najnowszych wersji silnika parowego jest wykorzystanie osiągnięć szybkiego silnika parowego i zastosowanie ich w lekkich lokomotywach. Zamiast dużej konwencjonalnej lokomotywy mającej tylko dwa cylindry, poruszającej się z prędkością kół napędowych, silnik parowy wykorzystuje kilka małych cylindrów przystosowanych do pracy z dużymi prędkościami. Gdy wszystkie inne czynniki pozostają takie same, podwojenie prędkości silnika tłokowego podwaja jego moc. Silnik parowy pozwalał na stosowanie małych, lekkich silników. Ponieważ wiele strat wydajności silnika pozostaje stałych lub jest również związanych z rozmiarem silnika, te małe silniki mogą być ogólnie bardziej wydajne.
Niezbędne funkcje
.jpg)
Wszystkie silniki parowe miały następujące cechy:
- Mały rozmiar
Późne modele silników miały standardowy rozmiar, zgodnie z linią produktów producenta. Tam, gdzie wymagana była większa moc, zastosowano wiele silników, po jednym na oś lub wózek .
- Zamknięte smarowanie wału korbowego
W najnowocześniejszej postaci silników parowych wał korbowy i często przekładnia zaworowa były zamknięte w skrzyni korbowej zawierającej miskę olejową. Zapewniło to obfite zaopatrzenie w smar, a także wykluczyło brud. Znacznie wcześniejsze przykłady, np. połowa XIX wieku, wykorzystywały wszelkiego rodzaju mechanizmy ze smarowaniem ręcznym poprzez małe rynny.
- Napęd zębaty
Pozwala to na wysoką prędkość wału korbowego, zwiększając wydajność. Chociaż nie wszystkie lokomotywy parowe z przekładnią wykorzystywały to, zwłaszcza projekty amerykańskie, takie jak Shay i Climax , była to istotna część najnowocześniejszej koncepcji silnika parowego.
Końcowy napęd wczesnych lokomotyw opatentowanych przez Sentinel odbywał się za pomocą łańcucha . Późniejsze projekty, zwłaszcza te autorstwa Abnera Doble'a, preferowały przekładnie czołowe . Napędy zębate wymagały zamontowania silnika parowego nisko, wzdłuż osi. Napędy zębate pojawiają się w niektórych z najwcześniejszych samochodów parowych używanych w Ameryce Północnej, chociaż bardziej konwencjonalne napędy tłokowe z pojedynczą osią napędową lub podwójnymi osiami napędowymi, połączonymi korbowodami, były dość powszechne. Większość z nich wykorzystywała konwencjonalną przekładnię zaworu ruchu Stephensona.
Dodatkowe funkcje
Oszczędności w zużyciu paliwa i wody były jeszcze jednym ważnym czynnikiem w większości parowych samochodów używanych na całym świecie. Mniejszy całkowity koszt eksploatacji miał ogromne znaczenie dla kupujących. Paliwem może być węgiel, aw niektórych przypadkach olej różnego rodzaju.
- Zaawansowana przekładnia zaworowa
Późne silniki parowe były zwykle wyposażone w zawory grzybkowe napędzane wałkami rozrządu . W silnikach parowych zbudowanych przez Sentinel silnik wywodzi się z ich już zaawansowanej konstrukcji wagonu parowego.
- Małe koła napędowe
W konwencjonalnej lokomotywie parowej „przełożenie” jest ustalane na podstawie rozmiaru kół napędowych. W silnikach parowych wykorzystujących przekładnię zębatą rozmiar koła można zmniejszyć. Dzięki temu podwozie jest lżejsze i bardziej kompaktowe, zwłaszcza dzięki zmniejszeniu masy nieresorowanej dużych kół. Małe koła pozwalają również na zamontowanie silnika na wózku w wagonie pasażerskim, tworząc wagon kolejowy , zamiast dużych kół wielkości lokomotywy.
Zalety
Te cechy dają korzyści:
- Wyższa wydajność
Wynika to głównie z dużej prędkości współczesnych nowoczesnych silników i przekładni redukcyjnej, ale także z ich innych zaawansowanych cech konstrukcyjnych.
- Zredukowana obsługa
Zastosowanie smarowania w kąpieli olejowej skraca czas codziennego smarowania .
- Zmniejszona konserwacja
Zastosowanie smarowania w kąpieli olejowej zmniejsza tempo zużycia, zmniejszając w ten sposób potrzebę okresowej konserwacji. Wynika to głównie z wykluczenia brudu, a także obfitego i niezawodnego smarowania. Chociaż inne systemy kąpieli olejowej w lokomotywach parowych, takie jak napędzana łańcuchem przekładnia zaworowa Bulleid , zyskały złą reputację ze względu na niezawodność, wynikało to głównie z trudności w uszczelnieniu tak dużego pojemnika. W przypadku silnika parowego tylko stosunkowo mała skrzynia korbowa silnika była szczelną skrzynią.
- Prostsza konserwacja
Konserwacja, jeśli jest wymagana, obejmuje mniejsze elementy. Są łatwiejsze w obróbce i wymagają mniej specjalistycznego sprzętu do podnoszenia. Silnik można również łatwo wyjąć w jednym kawałku w celu konserwacji, albo w szopie, albo po zwróceniu do producenta. Pozwala to również na szybszy powrót pojazdu do eksploatacji poprzez wymianę jednostek napędowych.
- Niski koszt produkcji
Komponenty są produkowane w większej ilości, ponieważ wiele projektów lokomotyw można zbudować na podstawie znormalizowanych projektów silników. Maszyny potrzebne do produkcji silników parowych są również mniejsze, a przez to mniej wyspecjalizowane i tańsze.
- Zmniejszone uderzenie młotkiem
Płynniejszy napęd motoreduktora i jego wielu cylindrów zmniejszył dynamiczny efekt pojedynczych suwów cylindrów.
- Artykulacja
W przypadku wielu silników nie ma potrzeby stosowania jednej dużej ramy do przenoszenia wszystkich napędzanych kół. Była to atrakcyjna cecha lokomotyw kolumbijskich , gdzie potężna lokomotywa została umieszczona na elastycznym podwoziu.
Ponieważ koła napędowe były małe i przegubowe, nie było potrzeby stosowania oddzielnych osi nośnych. Wszystkie koła mogły być napędzane, tak aby cały ciężar lokomotywy mógł być wykorzystany do przyczepności.
Rozwój
Ganz Works, Węgry
W latach 1901-1908 Ganz Works w Budapeszcie i de Dion-Bouton w Paryżu współpracowały przy budowie szeregu wagonów dla Węgierskich Kolei Państwowych wraz z jednostkami z kotłami de Dion-Bouton, silnikami parowymi i urządzeniami Ganz oraz wagonami Raba zbudowanymi przez Raba Węgierska Fabryka Wagonów i Maszyn w Győr. W 1908 roku Borzsavölgyi Gazdasági Vasút (BGV), kolej wąskotorowa na Rusi Karpackiej (dzisiejsza Ukraina), zakupiła pięć wagonów od Ganz i cztery wagony z Węgierskiej Królewskiej Państwowej Fabryki Maszyn Kolejowych z kotłami de Dion-Bouton. Firma Ganz rozpoczęła eksport wagonów parowych do Wielkiej Brytanii, Włoch, Kanady, Japonii, Rosji i Bułgarii.
Lokomotywa Pageta
Pierwszą lokomotywą wielocylindrową, która zademonstrowała niektóre zasady działania silnika parowego, była lokomotywa Paget Midland Railway z 1907 r. Była to jedna z wielu prób zbudowania lokomotywy zrównoważonej, unikającej w ten sposób problemów z uderzeniem młotkiem . Podążał również za współczesną, zaawansowaną praktyką silników stacjonarnych w stosowaniu cylindrów jednostronnego działania . Lokomotywa była różnie opisywana jako inspirowana lub faktycznie wykorzystująca projekt silnika Willansa który reprezentował szczyt konstrukcji silnika parowego w tym czasie. W rzeczywistości zawory obrotowe zastosowane w lokomotywie były całkowicie różne od charakterystycznego centralnego trzpienia zaworu Willansa, mimo że oba wykorzystywały tłoki tułowia jednostronnego działania . Zastosowano osiem cylindrów, dwa napędzające oś przednią z trzech osi napędowych, cztery oś środkową i dwa oś tylną. Wszystkie trzy osie były połączone ze sobą za pomocą zewnętrznych cięgien sprzęgających . Oś centralna była skomplikowaną odkuwką jako wewnętrzna oś korbowa z czterema rzutami, chociaż zgodnie z tradycyjną praktyką Stephensona. Aby zapewnić dodatkowe miejsce na cylindry, lokomotywa została oprawiony na zewnątrz .
Istotna różnica między lokomotywą Paget a lokomotywą parową polega na tym, że mechanizm zaworowy Pageta był napędzany centralnie, a zawór każdego cylindra był napędzany wałami zębatymi z pojedynczego wałka napędowego, który z kolei był napędzany przez drążki sprzęgające.
Chociaż lokomotywa osiągnęła swój cel, jakim było uniknięcie wibracji i uderzeń młota, a jej nowy kocioł i palenisko z cegły szamotowej były również proste i niezawodne, nie uznano jej za ogólny sukces. Obrotowy mechanizm zaworowy pochłaniał więcej mocy do napędzania go niż konwencjonalna konstrukcja i miał problemy z rozszerzalnością cieplną. Po mechanicznej awarii mechanizmu zaworowego, która zablokowała główną linię na kilka godzin, lokomotywa została wycofana, a następnie zezłomowana.
Posterunek
Pierwsze lokomotywy zaprojektowane w oparciu o koncepcję pełnego silnika parowego były firmy Sentinel . W 1922 roku przedstawiono dwa oddzielne projekty silników parowych opartych na Sentinel. Pierwsza, w maju 1922 r., Była własną koncepcją Sentinel dotyczącą lekkiego parowego silnika szynowego opartego na kotle i silniku wagonu parowego . Żaden silnik szynowy nie został zbudowany według tego wzoru, chociaż później zbudowano parę podobnych „ciężarówek kolejowych” na eksport do Indii.
W tym samym roku Kyrle Willans zasugerował, że zużytą konwencjonalną lokomotywę Manning-Wardle o nazwie Ancoats można odbudować z kotłem i silnikiem parowozu Sentinel w ramach lokomotywy, połączonych napędem łańcuchowym . Była to pierwsza lokomotywa parowa i pierwszy egzemplarz silnika parowego do użytku kolejowego, skonstruowany przez firmę Sentinel. Chociaż Sentinel miał stać się znany z lokomotyw z napędem przekładniowym, nadal produkowano inne przykłady tej konwersji starszej lokomotywy z prętem sprzęgającym; dwa egzemplarze przetrwały, choć opuszczone, w Coalbrookdale Museum of Iron .
Pierwsza nowa lokomotywa firmy Sentinel, nr 5156, została zbudowana w lipcu 1923 r. Podobnie jak w przypadku silnika szynowego, wykorzystano w niej nowo opracowany silnik wagonu Super- Sentinel , umieszczony poziomo między ramami. Miało to 750 mm ( 2 stopy 5 + 1 ⁄ 2 cala ) szerokości, ustanawiając precedens dla Sentinel w budowaniu lokomotyw w różnych szerokościach poprzez zwykłą wymianę osi i łożysk w standardowym podwoziu. Zastosowany kocioł był również nowym wzorem Super-Sentinel przy 230 psi, ze „spiralną” komorą ogniową .
Production Sentinels osiągnęli bardziej dostępny układ, montując swoje silniki pionowo. Mniejsza konstrukcja „zrównoważonego silnika” miała kocioł i silnik na przeciwległych końcach ram, z niskim nadwoziem nad zbiornikiem wody, podniesioną kabiną i małą cylindryczną obudową nad silnikiem. Bardziej znanym typem był późniejszy „silnik centralny”, w którym silnik umieszczono centralnie w dużej kabinie w kształcie pudełka. Moc tych silników CE została później zwiększona poprzez nieznaczne powiększenie kotła i podniesienie ciśnienia w kotle do 275 psi. Zwiększyło to ich moc z oryginalnych 80 KM lokomotyw BE do 100 KM. Wszystkie te lokomotywy były 0-4-0T układ kół, z obiema osiami napędzanymi łańcuchami z tego samego silnika. Aby zapewnić większą moc, Sentinel opatentował koncepcję wykorzystania wielu identycznych silników parowych, z których każdy napędza jedną oś. Były to lokomotywy dwusilnikowe o mocy 200 KM. Kocioł został ponownie powiększony i wyjątkowo wyposażony w dwa kominy, po jednym dla rury wydechowej każdego silnika.
Przełożenie przekładni głównej zależało od rynku i oczekiwanej pracy lokomotywy. Różniły się między napędem 6: 1 a 1: 1. Oryginalny wagon parowy, wyposażony w silnik tej samej wielkości, mógł udźwignąć około 15 ton. Lokomotywa kolejowa może osiągnąć siłę pociągową 123 000 funtów siły i ciągnąć ładunek do powolnej pracy manewrowej o masie 650 ton. Typowe obciążenia manewrowe wynosiły około 350 ton przy prędkości 5 mil na godzinę na poziomej stacji rozrządowej , co odpowiada masie typowego pociągu towarowego.
Do 1925 roku wykorzystano pionowy układ silnika, aby poprawić port pary i dostęp w celu konserwacji. Silnik Super-Sentinel wykorzystywał dwa wałki rozrządu: dolotowy i wydechowy, umieszczone w pobliżu wału korbowego w skrzyni korbowej i obsługujące zawory grzybkowe za pomocą długich popychaczy. W oryginalnym silniku kombi wszystkie cztery zawory były zamontowane na drugim końcu cylindra od wału korbowego, co wymagało długich, wąskich otworów na drugi koniec cylindra. W przypadku lokomotyw łatwo dostępny silnik pionowy umożliwił przeniesienie pary tych zaworów na dolny koniec cylindra, co pozwoliło na uzyskanie krótkiego, wydajnego portu z mniejszą „martwą przestrzenią”. Skrzynia korbowa silnika wraz z prowadnicą pnia wodzika została zamknięta i wyposażona w smarowanie rozbryzgowe. Pozostawiono odsłoniętą małą komorę między dławnicą tłoczyska cylindra a innym uszczelnieniem dławika w skrzyni korbowej. Dzięki temu para, która wyciekła przez uszczelki, została odprowadzona do atmosfery, zamiast skraplać się w skrzyni korbowej.
Wagony
Śledząc uważnie rozwój lokomotyw, Sentinel produkował również wagony parowe. Były one wygodne dla lekkich kolei, ponieważ były znacznie lżejsze niż konwencjonalne pociągi ciągnięte przez lokomotywy. Nawet w porównaniu z wcześniejszymi parowymi silnikami szynowymi, takimi jak modele GWR z kotłem pionowym, konstrukcja Sentinel obejmująca lekki kocioł wodnorurowy i mniejszy silnik parowy z przekładnią była jeszcze lżejsza. W tym czasie pojawiały się wagony i autobusy benzynowe, chociaż miały ograniczoną moc, a więc wagę, rozmiar i ładowność. Głównym rynkiem zbytu Sentinel dla ich wagonów był eksport, chociaż LNER obsługiwał również kilka z nich.
Podwójne
Zasada silnika parowego wiele zawdzięcza pracy i orędownictwu Abnera Doble'a , którego zainspirowały jego wcześniejsze prace nad wagonami parowymi . Później pracował dla Henschel z Niemiec, który budował ciężarówki, autobusy, wagony , a nawet lokomotywy, wykorzystując swoją zasadę silnika parowego.
Doble zaprojektował również dla Sentinel , w szczególności do opracowywania zaawansowanych projektów kotłów.
Inne przykłady
Francja
- 221TQ
Przebudowany z lokomotywy czołgowej klasy 230 4-6-0T na 4-4-2T , z podłużnym silnikiem parowym V12 napędzającym dwie osie napędzane przez wał napędowy. Nie było to zgodne ze zwykłą praktyką silników parowych, ponieważ cały napęd z wielu cylindrów był nadal połączony w jednym wale, chociaż nadal wykorzystywano koncepcję małych cylindrów i przekładni redukcyjnej. Wydaje się, że lokomotywa była niezadowalająca, prawdopodobnie dlatego, że ciężar silnika znajdował się teraz nad czołowymi kołami nośnymi, zmniejszając ciężar kleju na maszynistach tylko do połowy całkowitej masy lokomotywy.
- 232.P.1
Opływowa ekspresowa lokomotywa pasażerska 4-6-4, wykorzystująca kocioł wysokociśnieniowy . Każda z trzech napędzanych osi miała parę trzycylindrowych silników parowych o podwójnym działaniu, jednokierunkowych , co łącznie dawało 18 cylindrów.
Szwajcaria
- Lokomotywa wysokiego ciśnienia
Lokomotywa wysokociśnieniowa 2-6-2 z 1927 roku, zaprojektowana przez Buchli . Wykorzystywał on trzycylindrowy silnik do napędzania kół przez przekładnię redukcyjną 1: 2,5, a następnie konwencjonalne drążki łączące . Ten silnik miał zawory grzybkowe i jednokierunkowy dopływ .
Niemcy
- Lubeka-Büchener Eisenbahn
Lübeck -Büchener Eisenbahn zamówiła u Henschela wagony według projektów Abnera Doble. Podobne wagony budowano również dla Deutsche Reichsbahn . W latach 1936–1937 następowała po nich lokomotywa 2-6-4T z trzema silnikami parowymi V-twin.
- V19.1001
Niemiecka opływowa ekspresowa lokomotywa pasażerska V19.1001 z końca lat 30. XX wieku. Ta 2-8-2 lub 1'Do1' ( UIC ) miała cztery silniki parowe V-twin , po jednym na każdą oś.
Egipt
- Lokomotywa parowa z 1938 roku
Był to 2-4-2 z zewnętrzną ramą, z dwoma silnikami parowymi Sentinel, każdy o mocy 200 KM. Co niezwykłe dla Sentinela, wykorzystywał konwencjonalny kocioł lokomotywy .
W 1951 roku Egipskie Koleje Narodowe kupiły niektóre z ostatnich wagonów parowych Sentinel, zbudowanych przez Metropolitan-Cammell z wózkami napędowymi Sentinel. Było to dziesięć grabi z trzema wózkami, połączonych przegubowo z czterema wózkami Jakobsa . Jeden jest zachowany w dzisiejszej Anglii przez Quainton Railway Society w Buckinghamshire Railway Centre w Anglii .
Ameryka Południowa
Sentinel zbudował szereg lokomotyw o rozstawie metrów dla Argentyny, Kolumbii, a także Belgii.
Pierwszy z nich był w 1931 roku, dla Buenos Aires Midland Railway . Kolej korzystała już z wagonów Sentinel podobnych do wzorca LNER, ale wymagała większego zespołu trakcyjnego. Dwie zbudowano jako czteroczłonowe zgrabiarki: lokomotywę opartą na podwoziu poprzedniego wagonu oraz trzy wagony doczepne. Lokomotywa BB wykorzystywała dwa wózki czterokołowe, każdy napędzany sześciocylindrowym silnikiem opartym na wagonie, o łącznej mocy 250 KM. Kocioł był stosunkowo wysokociśnieniowy, chociaż typowy dla Sentinel, wykorzystujący kocioł wodnorurowy Woolnough o ciśnieniu 300 psi.
Jedną z najbardziej znanych lokomotyw Sentinel była lokomotywa „Colombian”, oparta na projektach Abnera Doble. Zostały one zbudowane jako partia czterech, z których pierwszy został sprzedany do Belgii w 1934 roku, a następnie trzy dla Société National des Chemins de Fer en Colombe . Przynajmniej jedna z kolumbijskich lokomotyw została przetestowana w Belgii, gdzie wykonano większość zachowanych jej zdjęć. Niektóre raporty podają, że belgijska lokomotywa została później wysłana do Kolumbii.
Te lokomotywy zostały opisane jako najbardziej wyrafinowane lokomotywy parowe, jakie kiedykolwiek zbudowano, z pewnością najbardziej zaawansowane, jakie wyprodukował Sentinel. Użyli wysokociśnieniowego kotła Woolnough przy 550 psi. Układ podwozia był Co-Co , z każdą osią niezależnie napędzaną przez dwucylindrowy silnik parowy Doble. Silnik ten był również używany w innych projektach wagonów Sentinel dla Kolei Południowej . Niezwykłą cechą niezawodności było to, że w przypadku awarii jakiegokolwiek silnika można go było szybko odłączyć, a lokomotywa kontynuowała jazdę.
Ameryka północna
Samochody parowe w Ameryce Północnej osiągnęły swój szczyt popularności przed 1880 rokiem, a większość z nich została wyprodukowana na zamówienie przez małych wyspecjalizowanych konstruktorów przed 1875 rokiem. prawie wszystkie egzemplarze były wyjątkowe i zbudowane specjalnie na zamówienie; kilka z nich to samochody eksperymentalne zbudowane i sprzedawane przez małe firmy lub osoby prywatne na zasadzie próbnej i często nie do końca udane ze względu na ich wyjątkowość lub względne koszty. Rozwój trakcji elektrycznej był jedną z przyczyn ostatecznego upadku amerykańskich samochodów parowych. Rozwój benzynowo-mechanicznych wagonów silnikowych z napędem bezpośrednim około 1905-15 stworzył nowe rynki, a ostatecznie samochody silnikowe z napędem gazowo-elektrycznym, a następnie spalinowo-hydraulicznym, takie jak bardzo popularny Budd RDC [samochód kolejowy z silnikiem Diesla] z lat 50. potrzeba autonomicznych pociągów silnikowych. The Baltimore i Ohio rozważały (ale nigdy nie zbudowały) flotę potężnych lokomotyw ekspresowych 4-2-2-2-2-4 o mocy 5000 KM pod koniec lat trzydziestych XX wieku, napędzanych czterema silnikami V4, po jednym na oś.