Lokomotywy parowe - parowozy - historia - rodzaje - modele

 Lokomotywa parowa (w skrócie parowóz, jako metafora również koń parowy) to rodzaj lokomotywy napędzanej parą. Oprócz szeroko rozpowszechnionej standardowej konstrukcji z wytwornicą pary i tłokowym silnikiem parowym z przekładnią korbową, istnieją specjalne konstrukcje, takie jak lokomotywy bez ogniowe, elektryczne lokomotywy parowe, lokomotywy parowe zębate, lokomotywy jednoosiowe lub z napędem turbinowym, lokomotywy kondensacyjne i wysokociśnieniowe.

Węglarka do parowozów ( autor: Reinhard Dietrich )

Lokomotywy parowe były pierwszymi samobieżnymi, napędzanymi mechanicznie pojazdami szynowymi i zdominowały transport kolejowy od jego powstania do połowy XX wieku. Lokomotywy parowe były również siłą napędową szybkiego rozwoju technologii transportu oraz handlu krajowego i międzynarodowego. Lokomotywa parowa jest symbolem epoki przemysłowej: bez transportu ogromnych ilości surowców, źródeł energii (węgla) i towarów drogą lądową, który umożliwiła, industrializacja, która postępowała mniej więcej od połowy XIX wieku, nie byłaby możliwa. Wraz z pojawieniem się bardziej nowoczesnych technologii napędowych, lokomotywy parowe były stopniowo zastępowane przez spalinowe i elektryczne jednostki trakcyjne ze względu na ich stosunkowo niską wydajność oraz wysokie koszty eksploatacji, konserwacji i napraw. Od ostatniego ćwierćwiecza XX wieku budowa nowych lokomotyw parowych stanowi wyjątek.

Lokomotywy parowe były budowane w ogromnej liczbie różnych typów i wariantów. Poniżej opisano głównie europejski standardowy projekt z XX wieku z klasycznym kotłem rurowym i tłokowym silnikiem parowym. Konstrukcje odbiegające od tego można znaleźć w artykule Lokomotywa parowa (konstrukcja).

Lokomotywy parowe o standardowej konstrukcji składają się głównie z kotła parowego, w którym para jest wytwarzana z wody za pomocą energii cieplnej paliwa, tłokowego silnika parowego, który przekształca energię ciśnienia pary w mechaniczną energię kinetyczną, podwozia z ramą i zestawami kołowymi oraz kabiny maszynisty do obsługi silnika. Niezbędne zapasy paliwa i wody są przewożone albo na samej lokomotywie (lokomotywa doczepna), albo w pojeździe na stałe z nią połączonym, lokomotywie doczepnej (lokomotywa doczepna).

Kocioł parowy z wbudowanym paleniskiem, silnik parowy i kabina maszynisty są zamontowane na ramie lokomotywy. Rama ta jest podtrzymywana przez napędowy zestaw kołowy, sprzęgające zestawy kołowe połączone za pomocą drążków sprzęgających i często dodatkowe beznapędowe jezdne zestawy kołowe. Silnik parowy tłokowy ma zwykle dwa, ale także trzy i cztery cylindry, które są zamontowane poprzecznie na zewnątrz lub (i) wewnątrz ramy. Ruchy oscylacyjne tłoczysk są przenoszone na czopy korbowe zestawów kołowych za pomocą drążków napędowych i w ten sposób przekształcane w ruch obrotowy.

W lokomotywach parowych energia cieplna jest przekształcana w energię kinetyczną. Zazwyczaj są to systemy otwarte, w których para jest uwalniana do atmosfery jako para wylotowa po wykonaniu swojej pracy w cylindrach parowych. W przypadku silników spalinowych jest ona najpierw przepuszczana przez dmuchawę w celu wzniecenia ognia. Z kolei w lokomotywach kondensacyjnych para wylotowa jest kierowana do zbiornika kondensacyjnego, gdzie jest ponownie skraplana i ponownie udostępniana jako woda zasilająca kocioł.

Lokomotywy parowe uzyskują swoją podstawową energię ze spalania paliw, które przewożą. W większości przypadków jest to węgiel lub ciężki olej, ale także drewno, pył węglowy, torf i olej mineralny. Kocioł ogrzewany tym paliwem wytwarza z wody parę dla silnika parowego. Lokomotywy parowe mają zazwyczaj rusztowy system opalania z płaskim paleniskiem. Pył węglowy, ciężki olej lub olej mineralny nie wymagają systemu opalania rusztowego, ale są spalane w specjalnym palenisku z odpowiednimi palnikami. Ciężki olej musi być wstępnie podgrzany za pomocą wymienników ciepła i jest rozpylany i spalany w palniku za pomocą strumienia przegrzanej pary. Pył węglowy jest wprowadzany za pomocą sprężonego powietrza lub zasysany przez podciśnienie panujące w całkowicie zamkniętej komorze spalania. Szczególną formą są lokomotywy parowe ogrzewane elektrycznie, które były używane do celów manewrowych, zwłaszcza w Szwajcarii.

Dopływ świeżego powietrza do spalania jest zapewniany przez regulowane klapy powietrza na popielniku, w którym gromadzą się również pozostałości spalania podczas spalania paliw stałych. Aby zapewnić lepszy dopływ powietrza, gdy popielnik jest pełny, do ramy nowoczesnych lokomotyw montowane są popielniki typu Stühren, które umożliwiają dostarczanie powietrza bezpośrednio pod ruszt, niezależnie od stopnia jego zapełnienia. W innych rodzajach wypalania, wymagane powietrze jest wprowadzane przez specjalne kieszenie, szczeliny lub przez same palniki (wypalanie pyłem węglowym).

Do rozpalenia ognia i całkowitego spalania niezbędna jest rura nadmuchowa opracowana przez Trevithicka i zamontowana w komorze dymowej. Para wylotowa z maszyny jest kierowana do komina przez dyszę, czyli głowicę dmuchawy. Strumień pary wylotowej całkowicie wypełnia przekrój komina i porywa gazy spalinowe i pirolityczne zgodnie z zasadą inżektora. Powoduje to powstanie podciśnienia w komorze dymowej, które rozprzestrzenia się przez przewody dymowe i grzewcze do paleniska. Świeże powietrze napływające przez popielnik i warstwę rusztu zapewnia niezbędną rozpałkę. Korzystne jest to, że system ten jest samoregulujący, ponieważ więcej pary wylotowej jest wydmuchiwane, gdy zużywana jest większa ilość pary, co również wytwarza wyższe podciśnienie. Ponieważ para wylotowa z silnika parowego jest dostępna tylko wtedy, gdy silnik pracuje, zainstalowano również dmuchawę pomocniczą do rozpalania ognia, gdy silnik jest zatrzymany lub pracuje na biegu jałowym. Składa się ona z pierścienia rurowego z drobnymi otworami umieszczonego centralnie wokół głowicy dmuchawy i w razie potrzeby jest zasilana mokrą parą bezpośrednio z kotła. Przed wprowadzeniem dmuchawy pomocniczej lokomotywy parowe były rozprzęgane i przesuwane tam i z powrotem podczas dłuższych okresów postoju w celu utrzymania pożądanego ciśnienia w kotle. Dla optymalnego rozpalenia ognia i całkowitego, ekonomicznego spalania, wymagana jest absolutnie szczelna komora wędzarnicza i szczelne przejścia rur.

Aby zapobiec wydostawaniu się większego żaru lub pozostałości spalania przez komin na zewnątrz podczas intensywnej pracy, w komorze dymowej zainstalowany jest iskiernik. Składa się on z siatki drucianej, która całkowicie otacza dolną część komina wystającą do komory dymowej i głowicy rury nadmuchowej. Przegroda zawieszona wahliwie w kierunku ściany rury zapewnia samooczyszczanie urządzenia.

Specjalne konstrukcje lokomotyw parowych, które nie są wyposażone w ten system (lokomotywy turbinowe i kondensacyjne) mają specjalnie sterowane wentylatory ciągu indukowanego do rozpalania ognia. Aby zwiększyć wydajność cieplną lokomotyw parowych, Austriak Adolph Giesl-Gieslingen znacznie ulepszył klasyczny system ciągu indukowanego w 1951 r., wprowadzając wyrzutnik Giesl nazwany jego imieniem. Rezultatem była oszczędność paliwa od ośmiu do dwunastu procent.

Kocioł wodny o dużej pojemności z wieloma rurami grzewczymi najlepiej nadaje się do wytwarzania wymaganej pary w stale zmieniających się warunkach pracy kolei. Taki kocioł ma dużą powierzchnię parowania i jest niewrażliwy na nieregularne uderzenia pary i związane z tym wahania ciśnienia i poziomu wody. Klasyczny kocioł lokomotywy parowej składa się z kotła stojącego z komorą paleniskową całkowicie otoczoną płaszczem wodnym, długiego kotła składającego się zwykle z kilku zastrzałów kotła oraz komory dymowej z wbudowanym systemem ciągu indukowanego i kominem do rozpalania ognia. Ta zasada konstrukcji to tak zwany kocioł rurowy Stephensona.

W palenisku ciepło wytwarzane podczas spalania jest przekazywane bezpośrednio do ścian paleniska i krążącej za nimi wody kotłowej. Jest to określane jako promieniująca powierzchnia grzewcza. Powstałe w ten sposób gorące gazy spalinowe przepływają następnie przez rury grzewcze zainstalowane w długim kotle, uwalniając ciepło do ścianek rur. Suma powierzchni ścianek rur tworzy powierzchnię grzewczą rury. Oprócz rur grzewczych, lokomotywy z gorącą parą posiadają również rury dymowe o znacznie większej średnicy. W tych rurach dymowych umieszczone są elementy przegrzewacza, w których para wytworzona w kotle jest osuszana i dalej podgrzewana. Przegrzana para, której temperatura podczas pracy lokomotywy dochodzi do 400 stopni Celsjusza, zapewnia wyższą sprawność lokomotyw parowych dzięki lepszemu zachowaniu podczas kondensacji i rozprężania.

Aby wydobyć jak najbardziej suchą parę i zapobiec przelewaniu się wody w kotle, na górze długiego kotła znajduje się jedna lub dwie kopuły parowe. Regulator pary mokrej odpowiedzialny za regulację dopływu pary do silnika jest zwykle zainstalowany w kopule parowej. Wytwarzana para mokra, o temperaturze od 170 do 210 stopni Celsjusza w zależności od nadciśnienia w kotle, jest mieszaniną pary i bardzo drobnych kropelek wody.

Niemieckie lokomotywy parowe zwykle pracowały przy ciśnieniu w kotle od 12 do 16 barów. Produkcja lokomotyw średniociśnieniowych o ciśnieniu od 20 do 25 barów i wysokociśnieniowych o ciśnieniu w kotle do 400 barów była zwykle ograniczona do kilku egzemplarzy ze względu na właściwości materiału, których nie można było wówczas kontrolować. Wiele takich maszyn zostało później przekształconych w lokomotywy o normalnym ciśnieniu. Ciśnienie w kotle jest ograniczone przez co najmniej dwa zawory bezpieczeństwa kotła o różnych konstrukcjach, które w kontrolowany sposób wydmuchują parę do otwartego środowiska w przypadku przekroczenia dopuszczalnego maksymalnego ciśnienia.

Nowoczesne lokomotywy parowe mają bardziej wydajny kocioł z komorą spalania. Specjalne konstrukcje, takie jak kocioł płomieniówkowy, kocioł chlebowy lub kocioł z rurą falistą, nie były w stanie się utrzymać.

Lokomotywa parowa tłokowa

Cylinder i tłok

W lokomotywach z regulatorami pary mokrej, para pobierana z kopuły parowej najpierw przechodzi przez zawór regulatora, a stamtąd trafia do komory pary mokrej w zbiorniku pary w komorze wędzarniczej. Stąd jest kierowana do rur przegrzewacza, gdzie jest podgrzewana do temperatury około 370 stopni Celsjusza. Przegrzana para trafia następnie do komory pary przegrzanej w zbiorniku pary, a stamtąd do głównej rury wlotowej silnika parowego. W przypadku zastosowania regulatora pary przegrzanej zamiast regulatora pary mokrej, para przegrzana przepływa z komory pary przegrzanej zbiornika pary przez zawór regulatora pary przegrzanej do głównej rury wlotowej silnika parowego. W cylindrach tłokowego silnika parowego para rozpręża się, wprawiając w ruch tłoki. W ten sposób energia cieplna zgromadzona w parze jest przekształcana w energię mechaniczną.

Lokomotywowe silniki parowe są dwustronnego działania ze względu na niezbędną odwracalność i ponieważ lokomotywa musi być w stanie ruszyć z dowolnej pozycji z pełną siłą pociągową. Tłoki w cylindrach silnika parowego są naprzemiennie zasilane parą od przodu i od tyłu. Ruch posuwisto-zwrotny tłoków jest przenoszony na koła napędowe za pośrednictwem drążków napędowych i w ten sposób przekształcany w ruch obrotowy.

Aby lokomotywa parowa mogła ruszyć, gdy jedna pozycja korby znajduje się w martwym punkcie, czopy korbowe przeciwległych kół na jednej osi są przesunięte względem siebie. Kąt przesunięcia wynosi ćwierć obrotu lub 90° dla silników dwu- i czterocylindrowych, a zazwyczaj jedną trzecią obrotu lub 120° dla silników trzycylindrowych.

Sterowanie

Układ sterowania składa się z wahacza, przeciwkorby, popychacza, dźwigni prowadzącej, trawersy, cylindra sterującego z suwakiem tłoka, cylindra parowego i drążka sterującego.

Dostosowanie wydajności, a tym samym zużycia pary, do zmieniających się warunków pracy jest realizowane za pomocą dodatkowego układu sterowania. Jego głównymi elementami są cylindry suwakowe z tłokami suwakowymi przymocowanymi do cylindra roboczego. Kontrolują one stronę i ilość pary wpływającej do cylindra roboczego. W przeciwieństwie do płaskich suwaków sterujących, suwaki tłokowe mają wewnętrzny dopływ.

Podczas pracy suwaki sterujące na przemian poprzedzają ruch tłoka roboczego. Suwak otwiera cylinder i para wpływa do środka. Po około jednej trzeciej ruchu tłoka suwak zamyka dopływ. Energia pary napędza tłok poprzez rozprężanie do jego martwego punktu. Ciągły, naprzemienny ruch suwaka jest powodowany przez łącznik sterujący połączony z łącznikiem napędowym. Poprzez zmienną regulację cięgła sterującego można uzyskać np. wysoką początkową siłę pociągową dzięki długiemu napełnianiu parą podczas ruchu tłoka. Skracając czas napełniania przy dużej prędkości, zużycie pary na skok tłoka zostaje zredukowane do niezbędnego poziomu. Ponieważ rozprężanie pary jest teraz wykorzystywane w większym stopniu, poprawia się efektywność energetyczna.

Maszynista reguluje sterowanie z kabiny maszynisty za pomocą korby ręcznej lub dźwigni sterującej, która jest zabezpieczona w odpowiednim położeniu za pomocą zatrzasków, dzięki czemu punkt obrotu łącznika sterującego, a tym samym skok roboczy suwaka, jest regulowany na wahaczu. Zwłaszcza w nowszych i przegubowych lokomotywach rewers jest uruchamiany za pomocą sprężonego powietrza. Drugim elementem sterującym oprócz regulacji suwaka jest zawór regulacyjny w kabinie maszynisty, który dostosowuje ciśnienie pary do cylindrów.

Regulacja ma zatem dwa punkty końcowe: z jednej strony w pełni zaprojektowana regulacja z ciśnieniem pary, przy którym koła lokomotywy po prostu się nie obracają, co jest ważne podczas rozruchu. Z drugiej strony, minimalnie zaprojektowane sterowanie z pełnym ciśnieniem pary w celu osiągnięcia optimum ekonomicznego przy maksymalnym możliwym rozszerzeniu cylindrów.

Pomiędzy tymi stanami występują liczne stany robocze, w których od doświadczenia i taktu maszynisty lokomotywy zależy znalezienie punktu optymalnego wykorzystania energii przy danym ustawieniu sterowania. Odwracając sekwencję napełniania, można odwrócić kierunek jazdy; prowadnica parowa ustawiona na pracę w przeciwnym kierunku podczas jazdy może być używana do hamowania (hamulec przeciwparowy).

Podwozie

Zestawy kołowe, napęd na jedną i dwie osie

Pojazdy kolejowe rzadko mają koła poruszające się luźno na osiach. Prawie zawsze dwa korpusy kół są zamontowane na wale zestawu kołowego (błędnie nazywanym również wałem osiowym), aby zapobiec ich obracaniu się. W klasycznych konstrukcjach lokomotyw parowych korpusy kół były projektowane głównie jako pająki (koła szprychowe). Opony kół z rzeczywistym bieżnikiem (kołnierz koła, bieżnik) są obkurczane na pająkach kół. Ta kompletna jednostka, która w przypadku wagonów jest również wyposażona w łożyska osi, nazywana jest zestawem kołowym. W lokomotywach parowych rozróżnia się zestawy kołowe napędne, sprzęgające i jezdne. Zestawy napędowe i sprzęgające są zestawami napędzanymi. Podczas gdy napędowy zestaw kołowy jest zaprojektowany jako szczególnie solidny, aby absorbować siły przenoszone przez drążki napędowe i jest mocno zamontowany w ramie lokomotywy, sprzęgające zestawy kołowe mogą być lżejsze i zaprojektowane do poruszania się na boki w ramie. Ruch liniowy generowany przez silnik parowy jest przekształcany w ruch obrotowy w napędzającym zestawie kołowym jako element mechanizmu korbowego. Moc jest przenoszona z drążków napędowych na sworznie napędowe lub wał zestawu kołowego, który jest zaprojektowany jako wał korbowy, oraz poprzez drążki sprzęgające na sworznie sprzęgające wszelkich istniejących sprzęgających zestawów kołowych. Jako specjalna konstrukcja, bocznie ruchome zewnętrzne zestawy kołowe niektórych wolno poruszających się lokomotyw wieloosiowych były napędzane przez koła zębate w celu poprawy jazdy po łuku. Jednak tak zwany napęd osi Luttermöllera sprawdził się tylko w ograniczonym zakresie ze względu na skomplikowaną konstrukcję i dużą podatność na naprawy.

Zestaw kół napędowych potrójnej lokomotywy z napędem na dwie osie, wał zestawu kół jako wał korbowy dla środkowego cylindra, potocznie nazywany również Kropfachse.

Podczas gdy wczesne lokomotywy parowe nadal radziły sobie z jednym lub dwoma sprzężonymi zestawami kołowymi, wzrostowi rozmiarów i masy lokomotyw, który towarzyszył dalszemu rozwojowi maszyn, trzeba było przeciwdziałać poprzez instalowanie dodatkowych sprzężonych lub ruchomych zestawów kołowych. Tylko w ten sposób możliwe było równomierne rozłożenie masy pojazdu na torze, w zależności od dopuszczalnego nacisku na oś. Rozmiar zestawów kołowych napędnych i sprzęgających był ograniczony przez prześwit i konstrukcję lokomotywy. Kolejnym kryterium była teoretycznie maksymalna możliwa prędkość tłoka wynosząca od 7 do 9 m/s i wynikająca z niej prędkość napędnych zestawów kołowych. Do tego czasu uważano, że niezbędny balans masy mechanizmu korbowego może być jeszcze opanowany. Doświadczenie pokazało, że prędkości do 400 min-1 dla zestawów kołowych w konwencjonalnych silnikach, w których moc była przenoszona przez pręty napędowe i sprzęgające, były uważane za możliwe do opanowania. Powyżej tej wartości inżynierowie spodziewali się ogromnych problemów z wyważeniem masy i smarowaniem, zwłaszcza części poruszających się pod wpływem pary. Uznano, że maksymalna górna granica 2300 mm średnicy koła jezdnego została osiągnięta w nowoczesnych lokomotywach parowych w Niemczech z lokomotywami serii 05 i 61. Trzycylindrowy 61 002 zachował się w przebudowanej formie jako 18 201, od 1970 roku 02 0201.

Lokomotywy parowe z dwoma cylindrami parowymi są zwykle napędzane przez zestaw kół napędowych (tradycyjnie nazywany napędem jednoosiowym). Lokomotywy z trzema (triplet) lub czterema cylindrami (quadruplet) są napędzane przez jeden zestaw kół napędowych (w przypadku lokomotyw złożonych nazywany napędem jednoosiowym typu von Borries) lub przez dwa zestawy kół napędowych (napęd dwuosiowy, w przypadku lokomotyw złożonych nazywany również napędem dwuosiowym typu de Glehn).

Aby osiągnąć większą siłę pociągową, potężne lokomotywy towarowe mają wiele sprzężonych zestawów kołowych ze stosunkowo małymi kołami. Było to możliwe dzięki austriackiemu projektantowi Karlowi Gölsdorfowi. Udowodnił on, że jazda bez ograniczeń jest możliwa dzięki zestawom kołowym z bocznymi sprzęgami. Pierwszą maszyną z pięcioma sprzęgłami, którą opracował, była udana seria kkStB 180. Jednak podobnie jak maksymalne obciążenie zestawu kołowego, liczba sprzęgalnych zestawów kołowych w sztywnej ramie jest również ograniczona. W praktyce budowano maszyny z sześcioma sprzęgniętymi zestawami kołowymi zamontowanymi w ramie, na przykład w Niemczech seria Württemberg K, późniejsza klasa 59 Deutsche Reichsbahn. Bułgarskie Koleje Państwowe miały w eksploatacji dwie serie z sekwencjami osi F i 1'F2', a sześciozespołowe maszyny jeździły także na Jawie. Tylko raz, z serią SŽD АА 20, podjęto nieudaną próbę z siedmiozłączem. Dzięki wieloczęściowym ramom i innym specjalnym rozwiązaniom próbowano pomieścić jak najwięcej sprzężonych zestawów kołowych. Najbardziej znane konstrukcje lokomotyw przegubowych to Mallet, Meyer, Garratt i Fairlie.

Potężne kotły osiągają długości i masy, które nie mogą być obsługiwane przez same sprzężone zestawy kołowe. Ponadto właściwości jezdne maszyn ze zbyt dużymi zwisami nie są już zadowalające przy wyższych prędkościach. Zostało to zauważone bardzo wcześnie w przypadku maszyn z długim kotłem Stephensona. Dlatego też lokomotywy zaczęto wyposażać w dodatkowe, nienapędzane zestawy kół jezdnych. Skutecznie zmniejszyło to zwisające masy komory wędzarniczej i bloków cylindrów, a także stojącego kotła. Tylne zestawy kołowe umożliwiły również umieszczenie paleniska i popielnika za kopułowymi zestawami kołowymi, dzięki czemu stały się one większe i bardziej wydajne. Aby usprawnić jazdę po łuku, zestawy kół jezdnych wkrótce zaczęto regulować poprzecznie, a następnie promieniowo w różnych wersjach. Urządzenia zwrotne poprawiają prowadzenie pojazdu na zakręcie, zwłaszcza gdy siły prowadzące są rozłożone na kilka zestawów kołowych. Dlatego też, szczególnie w przypadku maszyn szybkobieżnych, zastosowano wózek prowadzący lub połączono promieniowo regulowany zestaw kołowy z pierwszym, bocznie regulowanym zestawem kołowym sprzęgającym w ramie sterującej Kraussa-Helmholtza. Ze względu na niezbędną przestrzeń na popielnicę, tylne zestawy kołowe lokomotyw tenderowych to zazwyczaj pozbawione dyszla "osie Adama" lub montowane zewnętrznie zębatki wleczone typu delta. Identyczne właściwości jezdne w obu kierunkach są zwykle ważniejsze w przypadku lokomotyw tenderowych, dlatego często mają one symetryczny układ jezdny. W tym przypadku akceptowana jest przekładnia kierownicza pod popielnicą.

Balans masy

Masy posuwisto-zwrotne tłoków, a także tłoczysk, drążków napędowych i drążków sprzęgających powodują znaczną nierównowagę, gdy są przekształcane w ruch obrotowy, co prowadzi do nierównomiernej pracy lokomotywy. Ruchy tłoków w silniku dwucylindrowym nie równoważą się wzajemnie, ponieważ nie działają one z przesunięciem o pół okresu, ale o ćwierć okresu. Dzięki ciężarkom wyważającym na kołach, siły te można częściowo, ale nie całkowicie, zrównoważyć.

Nierównowaga spowodowana przez obracające się masy prętów sprzęgających i czopów korbowych może być całkowicie skompensowana przez ciężarki wyważające, dzięki czemu problem ten nie występuje na przykład w starszych lokomotywach elektrycznych z napędem prętowym i silnikiem obracającym się w inny sposób. Jednakże, aby skompensować masy posuwisto-zwrotne tłokowego silnika parowego, ciężarki wyważające muszą zostać zwiększone, co z kolei prowadzi do nowego niewyważenia kół. W rezultacie szyny mogą zużywać się bardziej w niektórych punktach, a przy dużych prędkościach może nawet dojść do utraty kontaktu koło-szyna, tzw. przeskakiwania kół. Jako praktyczny kompromis w projekcie ustalono, że tylko około 30 do 50% mas posuwisto-zwrotnych powinno być wyważone. Przy niskich prędkościach i niskich wymaganiach dotyczących komfortu, np. w transporcie towarowym, czasami całkowicie z tego zrezygnowano.

Znacznie ważniejsze było jednak maksymalne zrównoważenie masy lokomotyw szybkobieżnych. W tym przypadku problem można było już ograniczyć dzięki konstrukcjom z więcej niż dwoma cylindrami. Dlatego też prawie wszystkie lokomotywy dużych prędkości miały silniki z trzema lub czterema cylindrami.

Dwustopniowa pompa powietrza

Hamulce lokomotyw parowych składały się zwykle z hamulców klockowych na kołach sprzęgających, a w maszynach szybkobieżnych także na zestawach kołowych, które początkowo były obsługiwane ręcznie, później za pomocą pary, a od około 1900 r. głównie za pomocą sprężonego powietrza. Aby wytworzyć sprężone powietrze, lokomotywy parowe były wyposażone w napędzaną parą pompę powietrza oraz różne główne i pomocnicze zbiorniki powietrza do zasilania sprężonym powietrzem.

Para do ogrzewania pociągów

W ramach dalszego rozwoju, wagony pasażerskie zostały wyposażone w systemy ogrzewania parowego zapewniające komfortowe ogrzewanie. Poszczególne systemy ogrzewania otrzymywały niezbędną parę grzewczą z lokomotywy za pośrednictwem rury grzewczej biegnącej przez wszystkie wagony.

W lokomotywie mokra para była pobierana bezpośrednio z kotła za pomocą zaworu sterującego i doprowadzana do przedniego lub tylnego przyłącza ogrzewania lokomotywy za pomocą zaworu trójdrożnego, który można było obsługiwać z kabiny maszynisty lub za pomocą zaworu przełączającego (w standardowych lokomotywach). Zawór bezpieczeństwa (4,5 do 5 barów) i manometr uzupełniają system ogrzewania parowego po stronie lokomotywy.

Zasilanie elektryczne

Wraz z wprowadzeniem oświetlenia elektrycznego, a później dodatkowych urządzeń, takich jak sterowanie pociągiem, konieczne stało się zagwarantowanie stałego i bezpiecznego w eksploatacji zasilania elektrycznego. W pierwszych eksperymentach wykorzystywano małe tłokowe silniki parowe zamontowane na tenderze, ale ich sterowanie wymagało zbyt wiele uwagi ze strony palacza. Zasilanie stało się praktyczne dopiero po wprowadzeniu turbogeneratorów odśrodkowych. Ze względu na swobodne korzystanie z lokomotyw i wagonów, zasilanie za pomocą generatorów osi dominowało w wagonach pasażerskich o standardowym rozstawie szyn. Z tego powodu niemieckie lokomotywy parowe o standardowym rozstawie szyn są wyposażone tylko w generatory o mocy 0,5 kilowata do samodzielnego zasilania. Napięcia przemienne o częstotliwościach 500, 1000 i 2000 Hz wymagane do punktowego sterowania pociągiem były początkowo generowane przez dodatkowe uzwojenia. W sieciach zamkniętych, na przykład w kolejach wąskotorowych w Saksonii, stosowane są znacznie większe turbogeneratory o mocy 10 kW. Zasilają one cały pociąg wagonowy.

Podczas pracy lokomotywy para wytwarzana w kotle z wody zasilającej jest emitowana do otoczenia przez rurę wydmuchową i komin po pracy w cylindrach. Niewielka część pary jest zużywana przez pracę maszyn pomocniczych, takich jak pompa powietrza lub turbogenerator, lub przez straty pary spowodowane otwartymi zaworami spustowymi cylindrów lub zaworami bezpieczeństwa przedmuchiwania. Poziom wody w kotle musi być zatem uzupełniany okresowo lub w sposób ciągły, w zależności od obciążenia. Zapasy wody wymagane do uzupełnienia są przewożone w zbiornikach wody w ramie, z boku kotła lub w tenderze, które były napełniane na stacjach wodnych. Zwłaszcza brytyjskie lokomotywy czołgowe posiadały "zbiorniki siodłowe" otaczające długi kocioł.

W przypadku długich, nieprzerwanych podróży, takich jak Flying Scotsman z Londynu do Edynburga lub New York Central Railroad, używano rur czerpakowych, które podczas podróży opuszczano do specjalnych koryt na środku torów. Ciśnienie dynamiczne wytwarzane przez prędkość pociągu przepychało wodę przez rury do zbiornika wody w tenderze.

Pompa mieszająca (tłokowa) VMP 15-20

Począwszy od lat trzydziestych XX wieku, tender kondensacyjny został opracowany do podróży na długich dystansach z niewielką ilością wody, na przykład w Argentynie, Związku Radzieckim, a później także w Afryce Południowej, gdzie duża część pary wylotowej mogła być ponownie wykorzystana do zasilania kotła po kondensacji. W Niemczech wiele lokomotyw klasy 52 zostało zbudowanych w tej technologii do użytku na obszarach okupowanego Związku Radzieckiego, gdzie brakowało wody. Chociaż technologia kondensacji pozwoliła zaoszczędzić ponad 90% wody, nie była ekonomiczna ze względu na wysokie koszty utrzymania na obszarach o wystarczających rezerwach wody. Ponieważ para wylotowa z lokomotyw kondensacyjnych nie była dostępna do rozpalania ognia za pomocą dmuchawy, w komorze wędzarniczej wymagany był specjalny wentylator indukcyjny. Pozytywnym efektem ubocznym podczas wojny było to, że lokomotywy z urządzeniami kondensacyjnymi były mniej podatne na wykrycie przez nisko lecące samoloty, zwłaszcza w zimne dni, ze względu na niższy pióropusz pary wydechowej.

Ponieważ kocioł jest pod ciśnieniem podczas pracy, woda musi być uzupełniana za pomocą specjalnych pomp. W początkowym okresie były to zwykle pompy nurnikowe lub trakcyjne. Były one obsługiwane za pomocą wału mimośrodowego lub wału korbowego, gdy lokomotywa była w ruchu. Zaletą tej metody jest to, że wydajność jest w przybliżeniu proporcjonalna do przebytej odległości. Regulacja szybkości podawania odbywała się za pomocą regulowanego obejścia. W przypadku dłuższych postojów lub dłuższych przejazdów na stromych pochyłościach (zwiększone zapotrzebowanie na parę), lokomotywa musiała odłączyć się od pociągu i jechać tam i z powrotem po wolnym torze, aż poziom wody ponownie osiągnie pożądany poziom.

Nowoczesne lokomotywy parowe muszą mieć dwa niezależnie działające urządzenia zasilające, aby zapewnić minimalny poziom wody w kotle wymagany ze względów bezpieczeństwa. Do napełniania kotła pod ciśnieniem stosuje się tłokowe pompy zasilające i pompy wtryskowe. W pompach tłokowych tłok parowy napędza mały tłok wodny, który wtłacza wodę do kotła. W przypadku pompy inżektorowej lub parowej, strumień pary porywa wodę w komorze inżektora, podgrzewa ją i wtłacza do komory bojlera.

Wadą pomp tłokowych jest to, że kocioł jest zasilany zimną wodą bez wstępnego podgrzewania. Na wlocie wody zasilającej do kotła różnica temperatur powodowała duże naprężenia termiczne w materiale. Od około 1900 roku zimna woda zasilająca tender była przepuszczana przez podgrzewacze (w tamtym czasie podgrzewacze powierzchniowe, później podgrzewacze mieszane) i podgrzewana przez parę wylotową do około 80-90 stopni Celsjusza. Ponieważ należy unikać podawania zimnego paliwa, a podgrzewacze działają tylko wtedy, gdy pociąg jest w ruchu ze względu na ich zależność od pary wylotowej, jednym z dwóch urządzeń zasilających kocioł musi być pompa strumieniowa. W niektórych krajach, na przykład w byłym ZSRR i w Polsce, w dużej mierze zrezygnowano z tłokowych pomp zasilających i prawie wszystkie lokomotywy były wyposażone wyłącznie w pompy strumieniowe.

Prawidłowy poziom wody w kotle parowym jest również sprawdzany przez palacza lokomotywy za pomocą dwóch niezależnie działających wzierników oraz kurków kontrolnych. Zbyt niski poziom wody może spowodować eksplozję kotła, podczas gdy zbyt wysoki poziom wody stwarza ryzyko wyrzucenia ciekłej wody, a następnie poważnego uszkodzenia przegrzewacza i cylindrów. Zwłaszcza w cylindrze nawet najmniejsza ilość wody powoduje uderzenie wodne: wolna przestrzeń między tłokiem w martwym punkcie a dnem cylindra jest tak mała, że poruszający się tłok dosłownie zdmuchuje pokrywę cylindra z powodu nieściśliwej wody w cylindrze.

W celu zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji i oszczędności lokomotywy parowej, woda zasilająca kocioł jest uzdatniana. W szczególności, tworzeniu się kamienia kotłowego zapobiegają dodatki chemiczne w kotle, powodujące opadanie kamienia na dno (wytrącanie) i tworzenie tam warstwy przypominającej szlam (wewnętrzne uzdatnianie wody zasilającej). Zawór szlamowy umożliwia regularne wypłukiwanie tego osadu, nawet podczas pracy podgrzewacza. Ponadto bojler jest płukany w dłuższych odstępach czasu.

Zaopatrzenie w paliwo

Prowadzenie lokomotywy

Kabina maszynisty "pruskiego P8", widok od strony palacza.

poniżej drzwiczek przeciwpożarowych, po prawej stronie książkowy rozkład jazdy

Zobacz też: Elementy obsługi lokomotywy parowej

Z reguły kabina maszynisty lokomotywy parowej znajduje się z tyłu ramy za paleniskiem. Stamtąd jest ona zazwyczaj sterowana przez dwie osoby. Maszynista ma swoje stałe miejsce (siedzenie) po stronie, po której znajdują się elementy sterujące, regulator, zawór hamulca maszynisty i urządzenia pomocnicze, takie jak system sterowania pociągiem. W Europie kontynentalnej jest to zwykle prawa strona, na Wyspach Brytyjskich zwykle lewa. Stamtąd obserwuje tory i sygnały oraz kontroluje jazdę lokomotywy i pociągu. Palacz głównie nadzoruje i obsługuje rozpalanie i wytwarzanie pary (dostarczanie paliwa i wody, wytwarzanie ciśnienia) poprzez wkładanie paliwa do paleniska. Palacz pomaga maszyniście lokomotywy w obserwacji sygnałów, przekazując komunikaty i potwierdzenia. Siedzenie palacza znajduje się po przeciwnej stronie kabiny maszynisty.

Początkowo maszynista i strażak stali na niezabezpieczonej platformie za paleniskiem. Wraz ze wzrostem prędkości konieczne stało się dodanie wiatrochronu i przynajmniej krótkiego dachu. Wprowadzenie zamkniętej kabiny maszynisty można przypisać pionierowi kolejnictwa Maxowi Marii von Weberowi, który znał trudy pracy maszynisty i palacza lokomotywy z własnego doświadczenia, zwłaszcza w sezonie zimowym, i opisał je w swoim dziele literackim. Jednak nawet wtedy siedzenia były nadal uważane za "niespotykany komfort" i szkodliwe dla uwagi potrzebnej do obserwacji linii.

Aby utworzyć pociągi push-pull, przeprowadzono eksperymenty z urządzeniami sygnalizacyjnymi między przyczepą napędową a lokomotywą pchającą, które w swoim sposobie działania przypominały telegrafy maszynowe używane w żegludze morskiej. Rozwiązanie to zostało z powodzeniem zastosowane w 1936 r. w opływowych pociągach kolei Lubeka-Büchen. Wymagało to jednak stałego składu pociągu, co ograniczało swobodne wykorzystanie lokomotyw i dlatego nie było kontynuowane.

Standardy, ograniczenia rozwoju, projekty specjalne

Niemiecka lokomotywa standardowa klasy 41 jako lokomotywa konwersyjna Niemieckich Kolei Federalnych

Najpopularniejsza i najprostsza konstrukcja lokomotywy parowej miała jeden lub dwa zestawy kół jezdnych z przodu, a następnie trzy do pięciu sprzężonych zestawów kół napędowych i ewentualnie kolejny zestaw kół jezdnych pod kabiną maszynisty. Lokomotywa parowa składała się z kotła wytwarzającego mokrą lub gorącą parę i dwóch cylindrów dwustronnego działania z pojedynczym rozprężaniem pary.

W latach dwudziestych XX wieku w Niemczech pojawiły się lokomotywy parowe ELNA. Skrót ELNA oznacza Engerer Lokomotiv-Normen-Ausschuss. Lokomotywy miały być produkowane i eksploatowane bardziej ekonomicznie dzięki standaryzacji.

 Od 1925 roku lokomotywy parowe były projektowane i budowane dla Deutsche Reichsbahn pod nazwą Einheitslokomotiven (znormalizowane lokomotywy), pod kierownictwem Richarda Paula Wagnera, ówczesnego szefa działu projektowego w Głównym Urzędzie Reichsbahn. Podjęto decyzję o zastąpieniu wypróbowanych i przetestowanych lokomotyw kolei państwowych nowymi rozwiązaniami. Głównymi powodami były standaryzacja i zastosowanie jednolitych komponentów. Standaryzacji poddano nie tylko elementy takie jak zestawy kołowe, łożyska, pompy, przewody dymowe, bloki cylindrów i osprzęt, ale także materiały takie jak płyty kotłowe i ramy. Oznaczało to, że wiele części było również wymiennych w różnych seriach, co uprościło magazynowanie i sprawiło, że konserwacja była tańsza. Pierwszą lokomotywą jednostkową była DR klasy 01 jako 2'C1' h2. Oba powojenne niemieckie zarządy kolei państwowych opierały się na tych standaryzacjach, jednak powojenne projekty były tworzone zgodnie z nowszymi zasadami konstrukcyjnymi, zwłaszcza w technologii spawania.

Rozmiary

Wydajność lokomotywy parowej zależy od średnicy i skoku tłoka, ciśnienia pary, liczby cylindrów, liczby zestawów kół napędowych i ich średnicy. Wszystkie te parametry można jednak zmieniać tylko w ograniczonym zakresie.

Średnica koła ma decydujące znaczenie dla możliwej prędkości maksymalnej ze względu na ograniczoną możliwość sterowania prędkościami tłoków i związanymi z nimi prędkościami obrotowymi silnika. Nie można jej jednak dowolnie zwiększyć bez wpływu na wielkość kotła, a tym samym na siłę pociągową, lub bez przekroczenia obwodu pojazdu. Masy posuwisto-zwrotne w napędzie wału korbowego nie mogą być w pełni skompensowane, szczególnie w przypadku silników dwucylindrowych, co prowadzi do nierównomiernej pracy, zwłaszcza przy wyższych prędkościach. Ponadto duże średnice kół napędowych zmniejszają początkową siłę pociągową i możliwe przyspieszenie ze względu na bardziej niekorzystne przełożenia dźwigni.

Większość nowoczesnych lokomotyw parowych ma kotły o ciśnieniu roboczym od 16 do 20 barów. Wytwornice pary o wyższym ciśnieniu pary (do 60 barów) wymagały bardziej kosztownych prac konserwacyjnych w dłuższej perspektywie, dlatego nie mogły się one przyjąć w lokomotywach.

Ze względów konstrukcyjnych liczba cylindrów w standardowych typach może być zwiększona maksymalnie do czterech. Istnieją maszyny potrójne i poczwórne z pojedynczym rozprężaniem pary, w których wszystkie cylindry otrzymują parę kotłową, oraz maszyny złożone z cylindrami wysokociśnieniowymi i niskociśnieniowymi. Dzięki zasadzie złożonej, energia cieplna pary jest lepiej wykorzystywana. Ponadto, trzycylindrowe, a zwłaszcza czterocylindrowe silniki pozwalają na znacznie lepszy bilans masy.

Ponieważ jednak zwiększało to koszty utrzymania, ostatecznie dominowały lokomotywy z dwoma lub trzema cylindrami i tylko jednym stopniem rozprężania. Zwłaszcza koleje w USA, Anglii i północnych Niemczech, gdzie węgiel był stosunkowo tani i łatwo dostępny, nie korzystały z wyższej wydajności. Odwrotna sytuacja miała miejsce we Francji, Szwajcarii i na południu Niemiec, które zaopatrywały się w lokomotywy złożone aż do końca trakcji parowej lub do końca ich niepodległości. DB zmodernizowała również trzydzieści pierwotnie bawarskich czterocylindrowych lokomotyw złożonych do serii 18.6 w fazie początkowej zmiany trakcji.

Lokomotywa SNCF 242 A 1, stworzona przez André Chapelona, z układem cięgłowym Kylchap, jest uważana za najpotężniejszą lokomotywę parową, jaką kiedykolwiek zbudowano w Europie.

W warunkach środkowoeuropejskich budowano lokomotywy, które osiągały maksymalną prędkość ponad 200 km/h podczas jazd testowych (niemiecka lokomotywa Reichsbahn 05 002 i brytyjska lokomotywa LNER Mallard). W przypadku silników złożonych osiągnięto moc do 5300 KM (4000 kW) (SNCF 242 A1, Francja). Pod względem stosunku mocy do masy (masa na moc), 240 P francuskich kolei SNCF, przebudowany podobnie jak 242 A1 przez André Chapelona, był uważany za najpotężniejszą lokomotywę.

Największymi lokomotywami parowymi na świecie były lokomotywy Mallet i Triplex kolei amerykańskich. Pod ramą i tenderem lokomotywy te posiadały do trzech niezależnych dwucylindrowych silników. Praktycznie wszystkie duże i nowoczesne amerykańskie lokomotywy parowe miały moc od 5000 do 8000 KM (4000 do 6000 kW), co było możliwe dzięki stosunkowo dużym wymiarom i masie.

Lokomotywy klasy S-1b ("Niagara") New York Central przewoziły pociągi z 22 wagonami ekspresowymi Pullman o masie ponad 1600 t z prędkością 161 km/h w codziennej służbie. Podczas jazd testowych z takim obciążeniem osiągano nawet 193 km/h. Dla porównania, dzisiejsze pociągi IC i EC są tylko o połowę cięższe. Seria S-1b jest również rekordzistą pod względem miesięcznego przebiegu lokomotyw parowych. Pociągi takie jak te wspomniane powyżej przejechały 1485-kilometrową trasę z Harmon w stanie Nowy Jork do Chicago bez zmiany lokomotywy, osiągając ponad 44 000 kilometrów.

Nawiasem mówiąc, dla lokomotywy Pennsylvania Railroad klasy S1 podano 193,2 km/h lub 120 mph jako regularną, operacyjną prędkość maksymalną, chociaż nie osiągnięto celu ciągnięcia pociągów o masie 1000 ton z prędkością 100 mph lub 161 km/h.

Bardzo pracochłonna konserwacja lokomotyw parowych (obsługa lokomotywy przez dwóch mężczyzn, personel myjący i inni), bardzo intensywne i kosztowne przeglądy i konserwacja lokomotywy (mycie kotłów co dwa dni do maksymalnie raz w tygodniu), prawnie wymagane kontrole kotłów parowych ze względu na niebezpieczeństwo wybuchu kotła oraz równoległy dalszy rozwój lokomotyw elektrycznych i spalinowych doprowadziły do wycofania lokomotyw parowych w latach 70. na prawie wszystkich kolejach na świecie. Jednak niska wydajność, która zwykle wynosiła około ośmiu do dziesięciu procent, oraz zanieczyszczenie powodowane przez sadzę węglową również doprowadziły do tego, że lokomotywy parowe coraz bardziej znikały ze sceny. Jednak możliwości konstrukcyjne lokomotywy parowej nie zostały jeszcze w pełni wyczerpane.

Specjalne rozwiązania

Wyższe wymagania, korzystne lub niekorzystne warunki doprowadziły do powstania specjalnych konstrukcji lokomotyw parowych. Na szczególną uwagę zasługują tutaj lokomotywy Crampton, które na początku były bardzo rozpowszechnione we Francji i Niemczech, lokomotywy Mallet i Garratt, które pojawiły się później, oraz warianty napędów. Wyczerpujący przegląd znajduje się w sekcji Lokomotywa parowa (typ).

Parowozownia

Wygląd parowozowni charakteryzują budynki takie jak lokomotywownie, wieże ciśnień i stacje nawęglania. Inną typową cechą jest rozległe przecięcie torów w celu zmniejszenia ryzyka pożaru spowodowanego iskrami.

Historia

Lokomotywa parowa była pierwotnym i przez długi czas dominującym typem lokomotywy. Był to pierwszy środek trakcji, który mógł połączyć większą moc z kompaktową konstrukcją, a tym samym przyczynił się do pomyślnego rozpowszechnienia systemu kolejowego. 

Prekursorskie rozwiązania

Rozwój lokomotywy parowej opierał się na kilku prekursorskich rozwiązaniach. Pierwszym etapem był silnik parowy wynaleziony przez Thomasa Newcomena, w którym koło zamachowe przywracało cylinder do pierwotnej pozycji po każdym suwie roboczym. Kolejny krok nastąpił, gdy James Watt sprawił, że para działała naprzemiennie po obu stronach tłoka. Do tego czasu silniki parowe pracowały z niewielkim nadciśnieniem w porównaniu do ciśnienia atmosferycznego. Kiedy Richard Trevithick opracował silnik parowy, który pracował przy ciśnieniu trzy do czterech razy wyższym od ciśnienia atmosferycznego, możliwe stało się zbudowanie potężnego silnika roboczego, który był wystarczająco kompaktowy, aby zmieścić się w pojeździe. Po raz pierwszy dokonał tego Nicholas Cugnot w 1769 roku, a także Richard Trevithick w 1801 i 1803 roku, z których każdy zbudował drogowy samochód parowy. Umożliwiło to nieograniczone przestrzennie podróżowanie z pomocą silnika parowego, a potem był już tylko krótki krok do zastąpienia napędzanych parą linowych systemów transportu, które już istniały w kopalniach, wagonem parowym umieszczonym na szynach.

Pierwsze lokomotywy parowe na szynach

W 1804 roku Richard Trevithick zbudował pierwszą lokomotywę parową poruszającą się po szynach. Okazała się ona funkcjonalna, ale żeliwne szyny, które nie zostały zaprojektowane z myślą o jej masie, pękły pod lokomotywą.

Mniej więcej w tym czasie w angielskich kopalniach w Kornwalii i w północno-wschodnim angielskim zagłębiu węglowym wokół Newcastle upon Tyne podejmowano liczne próby opracowania lokomotyw parowych, w tym przez Timothy'ego Hackwortha od 1808 r., Johna Blenkinsopa w 1812 r., Williama Hedleya w 1813 r., George'a Stephensona w 1814 r. i innych. W 1825 r. linia kolejowa między Stockton i Darlington w Anglii, zainicjowana przez Edwarda Pease'a, została otwarta z lokomotywą George'a Stephensona, a jednocześnie pierwszy transport pasażerski został przeprowadzony przez pociąg ciągnięty przez lokomotywę.

W przypadku planowanej linii kolejowej między Liverpoolem a Manchesterem, w październiku 1829 r. odbył się słynny wyścig Rainhill w celu wyłonienia najlepiej nadającej się lokomotywy. Spośród pięciu "prawdziwych" lokomotyw biorących udział w wyścigu, The Rocket Roberta Stephensona wygrała wyścig, osiągając maksymalną prędkość 48 km/h na 50-kilometrowej trasie i - co najważniejsze - była jedyną, która przetrwała wyścig bez awarii. "Sans Pareil" Timothy'ego Hackwortha, który również brał udział w zawodach, miał cylindry odlane w warsztacie Roberta Stephensona, z których jeden eksplodował wkrótce po rozpoczęciu wyścigu - co było dość "regularną" awarią w tamtym czasie. W dniu 15 września 1830 r. otwarto linię kolejową między Liverpoolem a Manchesterem, a zarówno zwycięska "Rakieta", jak i "Sans Pareil" zostały oddane do użytku.

W Stanach Zjednoczonych pułkownik John Stevens zademonstrował w 1826 roku lokomobilę napędzaną parą na okrągłym torze w Hoboken w stanie New Jersey. W 1830 roku Peter Cooper zbudował Tom Thumb, pierwszą lokomotywę parową w Ameryce dla kolei publicznej, a DeWitt Clinton, pierwsza lokomotywa rozkładowa w USA, weszła do służby między Albany i Schenectady z prędkością około 50 km/h w dniu 24 września 1831 roku. John Bull, wyprodukowany w Anglii i dostarczony do Ameryki, również nie powinien zostać pominięty. Ona również została oddana do użytku w 1831 r., wycofana z eksploatacji w 1866 r. i po raz ostatni uruchomiona w 1981 r., mając obecnie 150 lat. Jest to jedna z ostatnich oryginalnych maszyn z początków lokomotyw parowych, które przetrwały.

Pierwszą parową linią kolejową na kontynencie europejskim była linia kolejowa Saint-Étienne-Lyon we Francji z 1831 roku. Belgia, której pierwsza kolej parowa została otwarta 5 maja 1835 r. między Brukselą a Mechelen, miała najgęstszą sieć kolejową na kontynencie do połowy XIX wieku.

W Niemczech, czyli w Konfederacji Niemieckiej, pierwszą lokomotywą parową, która jeździła po torze na placu fabrycznym, była lokomotywa Blenkinsop zbudowana przez Johanna Friedricha Krigara w Königliche Eisengießerei zu Berlin w czerwcu 1816 roku. Była to pierwsza lokomotywa zbudowana w Europie kontynentalnej i pierwsza usługa pasażerska z przewodnikiem parowym, ponieważ widzowie mogli jeździć w dołączonych wagonach za opłatą. Jest ona przedstawiona na noworocznej tablicy Kgl. Eisengießerei z 1816 roku. Kolejna lokomotywa została zbudowana według tego samego systemu w 1817 roku. Miały być one wykorzystywane w kolejach kopalnianych w Königshütte (Górny Śląsk) i w Luisenthal (Saara), ale żadnej z nich nie udało się doprowadzić do stanu używalności po demontażu, transporcie i ponownym montażu. W dniu 7 grudnia 1835 r. lokomotywa Der Adler po raz pierwszy kursowała między Norymbergą a Fürth na trasie Ludwigseisenbahn. Była to już 118. lokomotywa z fabryki lokomotyw Roberta Stephensona i była chroniona patentem z oznaczeniem typu "Patentee".

W Cesarstwie Austrii pierwsza kolej parowa kursowała na Kolei Północnej między Wiedniem-Floridsdorfem a Deutsch-Wagram w 1837 roku. Najdłużej działająca lokomotywa parowa na świecie również kursuje w Austrii: GKB 671 z 1860 roku nigdy nie została wycofana z eksploatacji i nadal jest używana do specjalnych podróży.

W 1838 roku trzecia lokomotywa parowa zbudowana w Niemczech, Saxonia, została zbudowana w Maschinenbauanstalt Übigau niedaleko Drezna, zaprojektowana przez profesora Johanna Andreasa Schuberta. Beuth, zbudowana w 1844 roku przez Augusta Borsiga, jest uważana za pierwszą niezależnie skonstruowaną lokomotywę w Niemczech. Fabryka maszyn Georga Egestorffa (później Hanomag) dostarczyła pierwszą lokomotywę parową, "Ernst August", Królewskim Hanowerskim Kolejom Państwowym w 1846 roku. Firma Henschel & Sohn w Cassel (ówczesna pisownia) zbudowała swoją pierwszą lokomotywę, Drache, dla Friedrich-Wilhelms-Nordbahn w 1848 roku. Również w 1848 roku Richard Hartmann z Chemnitz zbudował swój Glück auf.

Pierwszą linią kolejową przecinającą terytorium Szwajcarii była linia Strasburg-Bazylea, otwarta w 1844 roku. Trzy lata później, w 1847 roku, Hiszpańska Kolej Brötli z Zurychu do Baden została otwarta jako pierwsza szwajcarska linia kolejowa.

Pierwsze eksperymenty, sukcesy i błędy

Pomimo pionierskich osiągnięć inżynierów mechaników, wzajemne powiązania między mechaniką, termodynamiką i przenoszeniem mocy, które w tamtym czasie wciąż nie były rozumiane w wielu przypadkach, prowadziły do projektów podczas prób ulepszeń, które często wzmacniały określoną cechę, ale traciły z oczu ogólne powiązania między wytwarzaniem ciepła, wydajnością kotła, rozmieszczeniem kół i rozkładem masy.

Poniższy przegląd dotyczy bardziej rozwoju, który doprowadził do ostatecznie udanego projektu standardowego. Projekty, które znacznie od niego odbiegały, są wymienione w Lokomotywa parowa (projekt).

Pierwszy silnik Trevithicka miał dwa zestawy kół, oba napędzane przez ogromne koło zębate. Zgodnie z niemieckim oznaczeniem kolejności osi lub systemem liczenia, była to lokomotywa typu "B". Późniejszy "Locomotion" Stephensona był również typu "B" z dwiema napędzanymi osiami, ale w przeciwieństwie do Trevithicka, Stephenson wyposażył koła w czopy korbowe połączone z prętami sprzęgającymi. Stało się to najpowszechniej stosowanym napędem z wieloma zestawami kołowymi, który po raz pierwszy pozwolił lokomotywom na resorowanie i był później stosowany w pierwszych lokomotywach elektrycznych i spalinowych. Jednakże, wraz z cylindrami stojącymi, wprowadzenie zawieszenia wymagało zwiększenia szkodliwych przestrzeni.

W przeciwieństwie do tego, "Rakieta" Stephensona, zbudowana w 1829 roku, była częściowo krokiem wstecz w rozwoju, ponieważ miała tylko jedną napędzaną oś z przodu i mniejszy zestaw kół jezdnych za nią (układ osi A1). Jego zaletą były cylindry nachylone pod kątem około 45°. Taki układ zmniejszał przestrzeń szkodliwą w cylindrach potrzebną do skompensowania skoku sprężyny, a tym samym zmniejszał zużycie pary w porównaniu z powszechnym wówczas układem cylindrów pionowych. W późniejszej konwersji cylindry zostały jeszcze bardziej obniżone. Chociaż pojedyncza oś napędowa pozwalała na zastosowanie większych kół napędowych dla większych prędkości bez większych trudności konstrukcyjnych, zmniejszało to masę cierną napędu, co było ważne dla siły pociągowej. Ta sama niedoskonałość konstrukcyjna została jeszcze bardziej pogłębiona 15 lat później w lokomotywach typu Crampton. "Cramptony" miały jeszcze większe koła napędowe, które ze względów przestrzennych montowano za nisko położonym ciężkim kotłem pod kabiną maszynisty. Niskie położenie kotła miało na celu zapewnienie płynnej pracy. Oznaczało to, że Cramptony miały trudności podczas ruszania, ponieważ lekko obciążona oś napędowa miała tendencję do poślizgu. Gdy lokomotywa Crampton wprawiła pociąg w ruch, mogła rozwinąć znaczną prędkość dzięki długiemu, a tym samym mocnemu kotłowi, który był wsparty na maksymalnie trzech osiach prowadzących bez szkodliwych zwisów.

Timothy Hackworth zrozumiał związek między masą cierną a mocą pociągową wcześniej i zbudował "Royal George" jako lokomotywę z trzema sprzężonymi osiami (układ osi C) już w 1827 roku. Lokomotywy towarowe z trzema sprzężonymi zestawami kołowymi pozostały standardem przez dziesięciolecia.

Lokomotywa dostarczona do Niemiec w 1835 r. przez Roberta Stephensona, która jako pierwsza pojawiła się na niemieckich torach jako "Der Adler", miała jedynie skromną moc pociągową i prędkość maksymalną z jednym zestawem kół jezdnych przed i jednym za zestawem kół napędowych (układ osi 1A1) zamontowanym centralnie pod kotłem. Ta prosta konstrukcja prawdopodobnie okazała się niezawodna w działaniu, ponieważ lokomotywy parowe z tylko jednym zestawem kół napędowych były nadal budowane dla różnych niemieckich kolei państwowych do późnych lat sześćdziesiątych XIX wieku; w szczególności bawarska kolej państwowa pozostała wierna "1A1" przez długi czas.

Szczególną cechą kolei amerykańsko-amerykańskich były długie linie i lekka konstrukcja nośna ułożona z niewielką starannością, co prowadziło do nierównej pracy lokomotyw ze sztywnym dwuosiowym układem jezdnym przyjętym z Anglii. Aby przezwyciężyć te trudności, już w 1836 r. Henry Roe Campbell opracował i opatentował lokomotywę z układem osi 2'B (amerykańska notacja Whyte'a 4-4-0), tj. z wiodącym dwuosiowym wózkiem jezdnym i dwiema sprzężonymi osiami. Dzięki większej długości prowadnicy i niewielkim zwisom, konstrukcja ta zapewniała dobrą płynność jazdy nawet na słabych nawierzchniach, a dzięki promieniowej regulacji wózka jezdnego, równie dobrą jazdę po łuku. Do 1884 roku 60 procent wszystkich amerykańskich lokomotyw parowych miało układ kół 2'B n2 i stało się znane jako "American Standard" lub w skrócie "American". W miarę jak pociągi stawały się coraz cięższe, a prędkości wyższe, sprawdzony "American" został po prostu powiększony i wzmocniony we wszystkich komponentach, aby sprostać zwiększonym wymaganiom.

Podaje się, że "New York Central-4-4-0" numer 999 z kołami napędowymi o wysokości 2,15 m osiągnął prędkość 112,5 mph (= 181 km/h) w dniu 10 maja 1893 r. z "Empire State Express" składającym się z czterech wagonów między Batavią a Buffalo w stanie Nowy Jork. Do końca XIX wieku w USA zbudowano około 25 000 wariantów "Amerykanina". W Europie konstrukcja ta została przyjęta z mniejszym lub większym opóźnieniem. Wcześniej budowano lokomotywy pasażerskie z osiami 1B i 1'B, głównie z wystającymi cylindrami, które niekorzystnie wpływały na właściwości jezdne.

Koniec ery "amerykańskiej" nastąpił w latach osiemdziesiątych XIX wieku wraz z rosnącym rozpowszechnieniem hamulca pneumatycznego wynalezionego około 1869 roku przez George'a Westinghouse'a (patent USA 1872). Zamiast pociągów z hamulcami ręcznymi, te potężne hamulce pozwoliły na dłuższe i cięższe pociągi, dla których nie wystarczyło już po prostu zbudować 2'B większe. Doprowadziło to do powstania lokomotyw z potrójnymi i poczwórnymi zestawami kołowymi.

W Europie głębokie i stabilne położenie kotła było początkowo preferowane dla szybszych lokomotyw, ale było to niekorzystne dla rozmieszczenia kolejnych dużych sprzężonych zestawów kołowych. Znaczące impulsy do przezwyciężenia strachu przed wysoko położonym środkiem ciężkości nadeszły z USA. Wkrótce opracowano tam również nowe lokomotywy z coraz wyższym położeniem kotła, co pozwoliło na zastosowanie kilku zestawów sprzężonych kół. W 1924 r. niemiecki inżynier Ludwig Löw von und zu Steinfurth napisał w swoim standardowym dziele na temat pojazdów silnikowych, że należy uczyć się od konstrukcji lokomotyw:

"Dążenie do niskiego środka ciężkości jest dokładnie tym samym błędem, który wiele lat temu zepsuł inżynierię lokomotyw; w dawnych czasach kocioł lokomotywy był umieszczony tak nisko, jak to możliwe, ale dziś jest umieszczony tak wysoko, że prawie nie ma na nim komina. Naturalne jest, że samochód z wysoko położonym środkiem ciężkości powinien przewrócić się łatwiej niż samochód z nisko położonym środkiem ciężkości, ale przewrócenie się samochodu prawie nigdy się nie zdarza".

- v. Löw, Das Automobil, C. W. Kreidel's Verlag Berlin, wydanie 5, 1924, s. 327.

Kolejnym krokiem w rozwoju było wprowadzenie zasady silnika złożonego do konstrukcji lokomotyw parowych, po tym, jak sprawdził się on już na statkach parowych. W tym przypadku tendencja do rozprężania pary jest ponownie wykorzystywana w drugim stopniu w cylindrze niskociśnieniowym po jej rozładowaniu z pierwszego stopnia roboczego. Szwajcar Anatole Mallet złożył w 1874 roku wniosek o patent na to rozwiązanie do użytku w lokomotywach.

Zasada ta została po raz pierwszy zastosowana w lokomotywach z dwoma oddzielnymi jednostkami napędowymi ("lokomotywy Malleta") poprzez szeregowe połączenie par cylindrów. W późniejszym okresie zasada ta została również zastosowana w lokomotywach z pojedynczą ramą, początkowo w lokomotywach z dwoma cylindrami. Wyróżniały się one wyraźnie różnymi średnicami cylindrów. Później zaczęto stosować czterocylindrowe lokomotywy zespolone, zwłaszcza w pociągach ekspresowych. W tych lokomotywach pierwsza oś napędowa była zaprojektowana jako wał korbowy i była napędzana przez dwa cylindry wysokociśnieniowe wewnątrz ramy. Na zewnątrz ramy znajdowały się większe cylindry niskociśnieniowe, które działały w zwykły sposób na czopy korbowe drugiego zestawu kół napędowych (napęd dwuosiowy typu De-Glehn). Trzeci zestaw kół napędowych, który był zwykle obecny, był połączony z dwoma przednimi za pomocą zwykłych zewnętrznych prętów sprzęgających. Z drugiej strony August von Borries zaprojektował lokomotywy z napędem jednoosiowym nazwanym jego imieniem, w którym wszystkie cztery cylindry działają na jeden zestaw kół napędowych. Większe obciążenie wału korbowego jest równoważone przez prostsze wyważenie masy, a także łatwiej jest ustawić cylindry wysokociśnieniowe i niskociśnieniowe w jednej płaszczyźnie, co skraca drogi pary. Lokomotywy złożone wymagały specjalnego urządzenia rozruchowego. Oznacza to, że cylindry niskociśnieniowe również otrzymują parę pod napięciem podczas rozruchu, a maszyna pracuje z prostym rozprężaniem pary. Gdy maszyna jest w ruchu, przełącza się na działanie złożone.

Wraz z większymi lokomotywami pojawił się problem jazdy po łuku lokomotyw o sztywnej ramie. W 1884 r. Anatole Mallet ponownie opatentował projekt lokomotywy do jazdy po łuku, znanej dziś pod jego nazwiskiem, z dwoma silnikami, z których jeden jest zamontowany tak, że może się obracać lub poruszać na boki. Następnie, pod koniec XIX wieku, zbudowano łącznie około 150 lokomotyw Mallet dla wielu niemieckich kolei państwowych. Jednak dopiero w USA zasada Malleta osiągnęła swój szczyt. W Europie konstrukcja Mallet była stosowana głównie w mniejszych lokomotywach, ale była również używana w bardzo dużych lokomotywach, choć często tylko z prostym rozprężaniem pary, tj. bez złożonego efektu grup silników. Pozwoliło to uniknąć słabego punktu młotków z silnikami złożonymi w postaci oddzielnych grup silników wysokociśnieniowych i niskociśnieniowych, a mianowicie naprzemiennego obracania się obu grup silników.

Aby poprawić jazdę po łuku, kołnierze zewnętrznych zestawów kołowych zostały w niektórych przypadkach osłabione, aby zmniejszyć tendencję lokomotywy do ściskania się na łukach. Jednak osłabione kołnierze na końcowych zestawach kołowych z trudem prowadzą lokomotywę po torze, a krótka długość prowadzenia powoduje jej nierówną jazdę. Bezkołnierzowe osie kół napędowych zostały również wykorzystane do poprawy jazdy po łuku. Po wstępnych badaniach przeprowadzonych przez von Helmholtza, Austriak Karl Gölsdorf jako pierwszy zastosował w dużych lokomotywach o sztywnej ramie sprzężone osie z możliwością przesuwania na boki. Zasadniczo rozwiązało to problem jazdy po łuku dużych, potężnych lokomotyw o sztywnej ramie, częściowo w połączeniu z osłabieniem kołnierza koła i indywidualnymi zestawami kół bez kołnierzy kół.

Ostatnim brakującym elementem nowoczesnej lokomotywy parowej było opracowanie przegrzewacza, który umożliwił podniesienie temperatury pary do takiego poziomu, że podczas rozprężania w cylindrze nie występowały straty spowodowane kondensacją. To właśnie tutaj niemiecki inżynier i mechanik Wilhelm Schmidt wykonał decydujący krok wraz z wynalezieniem przegrzewacza, który umożliwił produkcję przegrzanej pary o temperaturze 350 °C w kotle parowozu w sposób operacyjny. Poprawiło to sprawność cieplną silnika parowego o połowę. W rezultacie pierwsze dwie lokomotywy (S 3 i P 4) z przegrzewaczami płomieniówkowymi zostały dostarczone dla pruskich kolei państwowych w 1897 roku.

Najważniejsze momenty rozwoju

Kolejnym uderzającym i udanym rozwinięciem był typ lokomotywy parowej "Pacific" z układem kół 2'C1' lub amerykańskim oznaczeniem 4-6-2. Został on ponownie opracowany w USA i stał się szczególnie rozpowszechniony, gdy masa pociągów wzrosła około 1910 r. z powodu wagonów o konstrukcji stalowej i nie mogły już być obsługiwane przez typy 2'B i 2'B1.

Po tym, jak pierwsza lokomotywa z układem osi 2'C1' została dostarczona do Nowej Zelandii przez Baldwin w USA w 1901 roku, lokomotywa z tym samym układem osi została dostarczona przez Brooks, późniejszą spółkę zależną ALCO, do Missouri-Pacific Railway w 1902 roku, od której pochodzi nazwa identyfikacyjna "Pacific". Rozwój i dystrybucja "Pacific" skorzystały również z faktu, że w tym samym czasie zastosowano zasadę przegrzanej pary z przegrzewaczem, co wraz z większą komorą spalania i dłuższym kotłem doprowadziło do gwałtownego wzrostu wydajności tego typu, co przez długi czas sprawiło, że dalsze udoskonalenia były niepotrzebne, zwłaszcza w przypadku lokomotyw ekspresowych. Mówi się, że w samej Ameryce Północnej zbudowano ponad 10 000 lokomotyw z układem osi "Pacific".

Lokomotywa przegubowa North American (1'D)D1' h4, projekt USRA z 1919 r.

Pod koniec lat trzydziestych i w latach czterdziestych ubiegłego wieku, techniczne szczyty trakcji parowej zostały osiągnięte zarówno przez najpotężniejsze i największe, jak i najszybsze maszyny, jakie kiedykolwiek zbudowano, ogromne amerykańskie lokomotywy Mallet i szybkie lokomotywy parowe, takie jak niemiecka klasa 05 lub angielska A4, z których każda osiągnęła nieco ponad 200 km/h podczas jazd próbnych. "Mallard" jest uznawany za rekordzistę prędkości na świecie, chociaż osiągnął 202 km/h z siedmiowagonowym pociągiem na pochyłości i został przy tym uszkodzony; niemiecki 05 002 osiągnął 200,4 km/h z czterema wagonami na równym terenie bez uszkodzeń, co w rzeczywistości uprawniałoby go do tytułu najszybszej lokomotywy parowej, gdyby oba były testowane według tych samych kryteriów.

Nowoczesne amerykańskie parowozy towarowe miały moc ciągłą do 8000 PSi (6000 kW, C&O seria H-8, PRR seria Q-2), lokomotywy ekspresowe osiągały moc do 6700 PSi (5000 kW, NYC seria S-1b, "Niagara"). Były one niezwykle solidnie zbudowane, ponieważ praca "na płasko" była na porządku dziennym przy dużych obciążeniach pociągów (od 10 000 do 15 500 ton w ciężkich przewozach towarowych, od 1000 do 1800 ton w ciężkich przewozach ekspresowych). Ponieważ lokomotywa ekspresowa wyprzedzała pociąg na dystansie do 2840 km (AT & SF - klasa 2900, na linii Kansas City - Amarillo - Los Angeles), niezawodność i łatwość konserwacji były najważniejsze.

Najczęściej budowanymi lokomotywami w Niemczech były lokomotywy klasy 55.25-58 i wojenne lokomotywy niemieckiej klasy 52. Klasa 55.25-58, pruska G8. 1 została zbudowana w 4995 egzemplarzach i tym samym była najczęściej budowaną lokomotywą parową kolei państwowych, a następnie lokomotywą pasażerską P 8 z układem osi 2'C h2, która była budowana od 1906 roku przez Berliner Maschinenbau AG i Linke-Hofmann Werke w Breslau w około 3800 egzemplarzach, z czego około 500 zostało dostarczonych za granicę. Większość tych lokomotyw została ukończona w latach 1919-1924.

Niemiecka klasa 52 była znacznie uproszczoną wersją lokomotywy towarowej klasy 50 z układem kół 1'E h2, z których około 6500 sztuk zostało zbudowanych w latach 1942-1945 dla zwiększonych potrzeb transportowych podczas II wojny światowej. Oprócz Pruskich Kolei Państwowych, tylko koleje Związku Radzieckiego zbudowały łącznie ponad 3000 lokomotyw serii 50 i 52.

W Szwajcarii, ostatnia lokomotywa parowa w historii SBB, C 5/6 2978, została dostarczona niezwykle wcześnie, w 1917 roku. Postępująca elektryfikacja przyczyniła się do triumfu lokomotyw elektrycznych.

Najnowocześniejsza lokomotywa parowa na świecie weszła do eksploatacji w Republice Południowej Afryki na początku lat 80-tych. Wysokowydajna lokomotywa parowa klasy 25NC, 25NC 3450, zbudowana w 1953 roku przez firmę Henschel & Sohn w Kassel, została wybrana do specjalnego programu testowego i mocno zmodyfikowana w zakresie podstawowych komponentów. W 1981 roku, w warsztatach Salt River w Kapsztadzie, wyposażono ją w system ciągu indukowanego Lempor z dwoma kominami, pomiędzy którymi zamontowano podgrzewacz. Palenisko zostało przekształcone w system spalania gazu (GPCS) przez argentyńskiego inżyniera Livio Dante Porta. Linie parowe zostały zoptymalizowane w celu zmniejszenia strat przepływu. Inżynier David Wardale był odpowiedzialny za całą konwersję. Lokomotywa otrzymała nowe oznaczenie serii 26, zachowując jednocześnie swój numer operacyjny. Kolejne próby trwały dwa lata. Rezultat: drastyczne oszczędności węgla i wody w porównaniu z klasą 25NC, a także wzrost wydajności o około 40%. Moc szczytowa zmierzona podczas jazd testowych wynosiła około 4500 KM przy 75 km/h i prawie 5000 KM przy 100 km/h. Moc ciągła maszyny wynosi ponad 3000 KM. Po zakończeniu dwuletniej fazy testowej lokomotywa została wprowadzona do regularnej służby pasażerskiej i towarowej w czerwonych barwach, co wkrótce przyniosło jej nazwę "Czerwony Diabeł", nie tylko ze względu na ogromny rozwój mocy - jak na lokomotywę wąskotorową.