Silnik parowy

Skonstruowanie wydajnego, niezawodnego, spisującego się dobrze w eksploatacji parowozu wymagało nie tylko rozległej wiedzy i umiejętności, ale także wyczucia i konstruktorskiego nosa. Wiele można było obliczyć, wiele odgadnąć, ale przy każdym nowym parowozie, zanim przystąpiono do próbnej eksploatacji, wyłaniało się wiele znaków zapytania. Zdarzało się, że parowóz nie miał nawet założonych parametrów. Ważne było nie tylko to, aby eksploatacja była jak najbardziej ekonomiczna, ale także to, aby nową maszynę dobrze przyjęli ludzie. Od maszynisty i palacza zależała opinia o parowozie i to, jak się on zapisze w ateście technicznym i historii. Początkowy brak zaufania pomnożony przez nieprzyjemne wydarzenie lub zaskakujące właściwości parowozu, który mógł być wprawdzie dobry, ale przekraczał dotychczasowe doświadczenia maszynisty, mogły w poważnym stopniu skomplikować lub całkowicie uniemożliwić wprowadzenie do eksploatacji nowej serii. Oczywiście, jeśli parowóz wykazał się obiektywnie dobrymi właściwościami, to ewentualne uprzedzenia nie odgrywały poważniejszej roli. Należało jednak stale pamiętać o czynniku ludzkim. Palacz (czasami było ich dwóch lub trzech) powinien być w stanie nasycić palenisko maszyny przy pełnej mocy. Od umiejętności maszynisty zależało natomiast utrzymanie tej mocy na wodzy.

Sam parowóz jest bardzo skomplikowaną konstrukcją. Jego poszczególne mechanizmy muszą być dobrze zaprojektowane do współpracy: kocioł musi wytwarzać dostateczną ilość pary przy ekonomicznym spalaniu; silnik parowy nie może pobierać więcej pary, niż kocioł może dostarczyć, a przy tym musi osiągać niezbędną moc, nawet z rezerwą; osie napędne muszą tę moc przenieść na obwód kół bez poślizgu, przy czym nie mogą oddziaływać na szyny większym naciskiem niż jest przewidziany w przepisach, a do tego żaden z tych trzech zespołów nie działa w sposób odizolowany — wywierają one na siebie wzajemny wpływ. Należy jeszcze pamiętać o maszyniście, który ustalając otwarcie przepustnicy i stopień napełniania oddziałuje na dynamikę jazdy oraz o palaczu, który nie może bezmyślnie wrzucać węgiel na ruszt. Nic więc dziwnego, że nawet dobrym konstruktorom zdarzało się wypuszczać na kolejowe szlaki niezbyt udane maszyny.

O ile typ kotła parowego był mniej więcej ustalony i przy projektowaniu nowego parowozu należało skoncentrować się tylko na ustaleniu jego wymiarów i proporcji, o tyle silnik parowy mógł mieć wiele wariantów rozwiązań. Najczęściej były to dwa cylindry o takiej samej średnicy umieszczone na zewnątrz albo wewnątrz ostoi. Ten tzw. bliźniaczy układ zastosował już Stephenson i w swoim czasie występował on w większości najnowocześniejszych parowozów średniej i dużej mocy. Parowozy bliźniacze z cylindrami wewnątrz ostoi najdłużej produkowano w Wielkiej Brytanii. Ich zaletą była spokojna jazda w wyniku mniejszego działania sił dynamicznych, a zasadniczym niedostatkiem utrudniony dostęp do silnika i konieczność stosowania wykorbień osi napędnej.

Przez dodawanie kolejnych cylindrów powstał stopniowo parowóz trzycylindrowy i czterocylindrowy. Dzięki temu można było nie tylko zwiększać moc, ale przede wszystkim osiągać znacznie spokojniejszą jazdę: większa liczba cylindrów oznaczała mniejsze wahanie siły pociągowej na obwodzie kół, a przez to mniejsze skłonności do poślizgu przy ruszaniu z miejsca. Jednocześnie, zwłaszcza w maszynach czterocylindrowych, zmniejszył się wpływ niewyważonych mas pracujących w ruchu posuwisto-zwrotnym, ponieważ pary cylindrów pracowały zawsze wzajemnie w odwrotnej fazie, czyli z korbami odwróconymi o 180°. W parowozach wielocylindrowych dostęp do cylindrów wewnętrznych był utrudniony, a silnik parowy był także bardzo skomplikowany, ponieważ musiał mieć trzy lub cztery napędy i tyle samo rozrządów pary. W celu zmniejszenia obciążenia wykorbionej osi napędnej dzielono często działanie cylindrów w ten sposób, że zewnętrzne cylindry napędzały inne osie niż cylindry wewnętrzny Kiedy w 1876 roku Anatole Mallet przedstawił swój sprzężony silnik parowy, od razu podwoiła się liczba możliwości układów cylindrów silnika: parowozy dwucylindrowe, trzycylindrowe i cztero-cylindrowe mogły być wykonane jako sprzężone (układ compound). W sprzężonym silniku para częściowo rozprężona w cylindrze wysokoprężnym, jako wykorzystana przepływa do rury przelotowej, z której jest odprowadzana do cylindra niskoprężnego. Tam kończy się faza rozprężania i para wylatuje do komina. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że takie rozwiązanie niczego nie daje. Nie zmienia się ogólny spadek temperatury i ciśnienia, więc nie zmienia się również powierzchnia teoretycznego wykresu roboczego. A jednak prawie o połowę zmniejsza się temperatura w każdym cylindrze, co powoduje zmniejszanie się strat spowodowanych tzw. czerpaniem ciepła z jednej strony cylindra na drugą, ponieważ świeża para wpływa do mniej wychłodzonych przestrzeni roboczych. Z tego wynika, że parowóz sprzężony pracuje ekonomiczniej, chociaż osiąga to kosztem pewnych komplikacji: ma dwa wymiary cylindrów, tłoków i suwaków oraz mniej otworów wylotowych, a przez to gorszy ciąg. Oprócz tego dwucylindrowe sprzężone silniki parowe muszą mieć urządzenie rozruchowe, przez które wpuszcza się świeżą parę także do cylindra niskoprężnego, aby parowóz mógł ruszyć z miejsca nawet wówczas, gdy tłok cylindra wysokoprężnego jest w martwym położeniu. Urządzenie takie stosowano również jako samoczynne przy nastawianiu większego napełniania cylindrów, np. przy ruszaniu z miejsca lub przyjeździe pod górę. Stosowano je nawet w parowozach z silnikami wielocylindrowymi. W ten sposób parowóz z silnikiem sprzężonym przekształcał się na pewien czas w wykorzystujący maksymalnie swoją moc parowóz o pojedynczym rozprężaniu pary.

Wybór odpowiedniego silnika parowego wcale nie był sprawą łatwą. W parowozach towarowych spokojna jazda ze względu na małą prędkość była sprawą nieistotną, chodziło przede wszystkim o osiągnięcie potrzebnej mocy. Najczęściej stosowano w nich silniki w układzie bliźniaczym, a w ciężkich typach trzycylindrowe z pojedynczym rozprężaniem pary. Parowozy osobowe i pośpieszne częściej miały silniki wielocylindrowe. Na przełomie wieków były to głównie sprzężone silniki czterocylindrowe, ale także silniki czterocy-lindrowe z pojedynczym rozprężaniem pary, silniki trzycylindrowe najczęściej z pojedynczym rozprężaniem pary, a silniki sprzężone tylko w wyjątkowych przypadkach.

Parowóz z czterocylindrowym silnikiem sprzężonym wydawał się idealnym rozwiązaniem, ponieważ był prawie doskonale wyważony, osiągał dużą moc i był ekonomiczny w eksploatacji. Dlatego na tory kolejowe prawie całej Europy wyruszyły parowozy pośpieszne z czterocylindrowymi silnikami sprzężonymi. W Polsce wiele serii parowozów miało silniki sprzężone. Do najliczniejszych należały Pk2, Od2, Tp2, Ti4, Tr11, Twl1, Tpl02, Tpl04, Trl03 pracujące w latach 1918—1966.

W poszczególnych krajach spopularyzowały się również inne układy silników. Na przykład w Bawarii na początku XX wieku pojawiły się nowe typy eleganckich, a pod względem technicznym doskonałych parowozów pośpiesznych ze sprzężonymi silnikami czterocylindrowymi, natomiast w Prusach pod przewodem Garbego kroczono wytrwale drogą prowadzącą do parowozu z silnikiem bliźniaczym, inspirując się przykładem Stanów Zjednoczonych, gdzie w 1906 roku było zaledwie 6 % parowozów z silnikami sprzężonymi, a później bardzo rzadko budowano tam parowozy z silnikami wielocylindrowymi na jednej ostoi. Nawet w Wielkiej Brytanii nie poświęcano zbyt wiele uwagi silnikom sprzężonym. Przeważały tam parowozy trzycylindrowe z pojedynczym rozprężaniem pary.

O ile w pierwszym dwudziestoleciu naszego wieku można było różny stopień popularności parowozów z silnikami sprzężonymi wyjaśniać poszukiwaniem właściwej drogi, o tyle dalszy rozwój sytuacji niczego nie tłumaczył. Po I wojnie światowej Niemcy wkroczyły na pruską drogę, a nowe Einheitslokomotiven były prawie wyłącznie bliźniacze lub — w maszynach o większej mocy — trzycylindrowe z pojedynczym rozprężaniem pary. Podobną drogą kroczyła Europa Środkowa, mimo austriackich tradycji w konstrukcji sprzężonych czterocylindrowców. Czechosłowackie Koleje Państwowe miały nawet obszerny program przebudowy starych typów parowozów z silnikami sprzężonymi na parę nasyconą na bliźniacze z przegrzewaczem. Ten powszechny kierunek odejścia od ekonomicznego w eksploatacji parowozu z silnikiem sprzężonym i przejście do prostszego i łatwiejszego w eksploatacji parowozu z silnikiem bliźniaczym, uzasadniano zmienionym rozumieniem pojęcia ekonomiczności eksploatacji. Zamiast zwykłej oszczędności paliwa nastąpiło ogólne zmniejszenie kosztów eksploatacji, ponieważ tańsze były naprawy i przeglądy. Na tym polu można było kalkulować na większą skalę, tym bardziej, że niektóre nowe typy parowozów z silnikami sprzężonymi z różnych przyczyn nie wykazywały się w sposób przekonywający oszczędnością paliwa. Do tego dochodziły problemy z właściwym przeprowadzaniem przeglądów i konserwacją cylindrów wewnętrznych podczas eksploatacji.

Tylko we Francji i częściowo w Hiszpanii wydajne parowozy osobowe produkowano nadal z czterocylindrowym silnikiem sprzężonym. Przyczynił się do tego w decydującym stopniu swymi rekonstrukcjami starszych parowozów Chapelon, który zrozumiał doskonale, jak należy wykorzystać zalety takiego rozwiązania. Zdawał sobie sprawę, że jeżeli rury i kanały doprowadzające parę do cylindrów wysokoprężnych i do cylindrów niskroprężnych będą o dużych wymiarach, wtedy silnik parowy sprzężony stanie się bardziej ekonomiczny niż silnik z pojedynczym rozprężaniem pary, zwłaszcza przy zwiększeniu ogólnej wydajności za pomocą dyszy systemu Kylchap. Oczywiście nie można zapomnieć ani o zmniejszeniu dynamicznego oddziaływania parowozu wielocylindrowego na tor kolejowy, ani o odmienności organizacji ruchu, przeglądów i napraw parowozów na kolejach francuskich. W ten sposób bardzo wydajne, prototypowe, ale również produkowane seryjnie parowozy pośpieszne konstrukcji Chapelona wskazały na możliwość i kierunek dalszego rozwoju parowozu. Rozwój w tym kierunku został jednak zahamowany rozwojem innych rodzajów trakcji. We Francji skonstruowano wiele typów towarowych parowozów czterocylindrowych i sześcioosiowy parowóz z sześciocylindrowym silnikiem sprzężonym.

Nieodłączną częścią cylindrów silnika parowego jest rozrząd pary, czyli stawidło z odpowiednimi kanałami doprowadzającymi i odprowadzającymi parę. Silniki sprzężone mają dodatkowo rurę przelotową. W erze pary nasyconej stosowano przeważnie suwaki płaskie, których powierzchnia zamykała lub otwierała kanały wlotu pary do cylindrów (tzw. zewnętrzny wlot), a wewnętrznymi krawędziami otwierała wylot pary do przestrzeni pod suwakiem i do kanałów odprowadzających do komina zużytą parę. Suwak płaski był nieustannie dociskany do powierzchni ślizgowej ciśnieniem pary, tak że nie było problemu z jego uszczelnieniem. W miarę powiększania się cylindrów parowych, zwiększania ciśnienia i temperatury pary przegrzanej, pojawiła się konieczność zastosowania suwaków tłokowych, w których powierzchnia ślizgowa była odciążona od działania nacisku pary. Zewnętrzny wlot pary przy dużym spadku temperatury oznaczał duże straty ciepła, a także konieczność uszczelniania trzona suwakowego. Należało więc przejść na wlot wewnętrzny, co uniemożliwiała konstrukcja suwaków płaskich. Ale z suwakami tłokowymi także były problemy. Stosowane początkowo szerokie pierścienie uszczelniające, po dłuższym przebiegu i przy niezbyt dobrych smarach zacierały się. Z tego powodu zaczęto stosować pierścienie sprężyste. Zasadnicza wada suwaków tłokowych przejawiała się podczas jazdy parowozu z zamkniętym regulatorem. Suwak płaski przy braku ciśnienia pary podnosił się pod wpływem ciśnienia gazów wylotowych sprężanych tłokiem, natomiast suwak tłokowy trzeba było wyposażyć w wyrównywacze ciśnienia i zawory zasysające, tak aby podczas jazdy parowozu luzem nie powstawały straty spowodowane dławieniem lub sprężaniem. Później skonstruowano samoczynne suwaki wyrównujące (systemy: Nicolai, Mullera, Trofimowa i inne).

Rozrząd silnika parowego jest to układ cięgieł, dźwigni, zawieszek, mimośrodów i innych części służących do sterowania suwakami. Obsługa rozrządu w parowozie Rocket była dość skomplikowana i cały mechanizm miał dodatkowo pedał blokowania. Wkrótce wymyślono łatwiejszy do obsługi mimośrodowy rozrząd widlasty, ale nadal umożliwiał on tylko zmianę kierunku jazdy, natomiast parę wpuszczał do cylindrów prawie przez cały czas skoku tłoka, tak że nie można było wykorzystać rozprężania pary.

Dopiero rozrząd kulisowy opracowany przez Stephensona oznaczał znacznie ekonomiczniejszą eksploatację parowozu, ponieważ umożliwiał zmianę czasu wpuszczania pary do cylindra. Dzięki temu przy ruszaniu z miejsca osiągało się dużą siłę pociągową — duże napełnienie, później można było tę siłę zmniejszać, regulując napełnienie cylindrów. Wtedy obniżało się ciśnienie indykowane, a także zużycie pary i paliwa.

Rozrządy kulisowe opracowane przez Sir Daniela Goocha, Alexandra Allana i Josepha Tricka (system Allana-Tricka) były podobne w swej funkcji, ale różniły się od rozrządu systemu Stephensona zawieszeniem i kształtem kulisy. Dopiero rozrząd systemu Wal-schaerta-Heusingera z 1850 roku, dzięki swej prostocie i dokładniejszej pracy (stałe liniowe wyprzedzanie otwierania kanałów), opanował praktycznie cały świat. Jeden mimośród zastąpiono w nim wahaczem napędzanym wodzikiem od krzyżulca. Drugi spełniał wprawdzie swoją dotychczasową funkcję, ale przekształcił się w prostszą przeciwkorbę. Oczywiście istniało wiele modyfikacji tego rozrządu.

Oprócz rozrządów suwakowych, używano także rozrządów zaworowych, w których rozrząd zewnętrzny napędzał element sterujący zaworami zasysającymi i wylotowymi. Nie znalazły one jednak większego zastosowania, ponieważ były kłopoty z utrzymaniem ich dokładnej funkcji (systemy: Lentza, Caprottiego i inne).

Rozrządy w parowozach wielocylindrowych były rozwiązywane różnie. Nie zawsze każdy cylinder miał swój suwak i swój rozrząd zewnętrzny. Często suwaki cylindrów wewnętrznych były napędzane rozrządem cylindrów zewnętrznych. W silnikach czterocylindrowych, w których pary cylindrów pracowały na zasadzie przeciwieństwa faz, wystarczała do tego celu dwuramienna dźwignia między dwoma trzonami suwakowymi. Tam, gdzie w silnikach sprzężonych była potrzebna możliwość nastawiania różnego stopnia napełniania w cylindrach wysokoprężnych i niskoprężnych, nawet rozrząd zewnętrzny nie mógł być wspólny. Taki układ musiał mieć doświadczoną i wykwalifikowaną obsługę, ponieważ uruchomienie parowozu wymagało wykonania wielu skomplikowanych czynności. Dlatego w parowozach z czterocylindrowymi silnikami sprzężonymi stosowano często nawet sprzężone rozrządy. Maszynista przestawiał rozrząd dźwignią lub śrubowym wrzecionem. W nowszych, dużych parowozach maszynista sterował tylko serwo napędem, który przestawiał rozrząd.