Funkce parní lokomotivy

How the steam loco works

Parní stroje byly dovedeny do dokonalosti právě v případě parních lokomotiv. Na malém prostoru musely obsahovat vše potřebné pro mnohahodinový provoz. Právě na lokomotivě se pokusím popsat funkci parního stroje (stacionární parní stroje fungovaly obdobně, ale měly navíc kondenzátory vody, odlučovače oleje a další rozměrné užitečnosti, zvyšující ekonomii provozu).

The steam engine was perfected in case of steam locomotives. It has all components for a many hour run in a small space. I will try to describe function of the steam engine only in the locomotive. Stationary engines work similarly but have additional components for higher economy, such as a steam condenser, oil separator etc.

1. vodní nádrž 2. uhlák 3. šnekový dopravník uhlí 4. ovládácí páka 5. přikladač uhlí 6. páka parního ventilu 7. vodoznak 8. ohniště 9. horní plát ohniště 10. bezpečnostní ventil 11. Turbine-Generator 12. kotlová voda 13. parní dóm 14. parní ventil 15. žárnice (kotl.trubky) 16. odvod páry 17. zpětný ventil napáječe

18. zásobník písku 19. plamencové trubky 20. přehřívač 21. dýmnice 22. výfukové roury 23. šoupátko 24. válec 25. píst 26. křížák 27. ojnice 28. spojovací tyče 29. pískovací trubka 30. popelník 31. vyzdívka 32. rošt 33. injektor

1. Water Compartment 2. Coal Bunker 3. Worm Coal Conveyor 4. Reverse Lever 5. Stoker 6. Throttle Lever 7. Water Gauge 8. Firebox 9. Crown Sheet 10. Safety Valve 11. Turbine-Generator 12. Boiler Water 13. Steam Dome 14. Throttle Valve 15. Boiler Tubes 16. Dry Pipe 17. Water Delivery Check Valve

18. Sand Dome 19. Flue Tubes 20. Superheater Tubes 21. Smokebox 22. Blast Pipe 23. Steam Chest 24. Cylinder 25. Piston 26. Crosshead 27. Main Rod 28. Side Rod 29. Sand Pipe 30. Ashpan Hopper 31. Brick Arch 32. Grate 33. Injector

Jak to tedy fungovalo ?
Brzo ráno naplní ve výtopně kotel vodou (12) a zatopí v ohništi (8). Voda začne vařit, zvyšuje se tlak páry. Vařící voda v kotli má pod tlakem vyšší teplotu než 100°C, např. při 5 atm (pardon při 0.5MPa) má 151°C. Praskne-li kotel, tlak se sníží a voda se prudce změní v páru, proto jsou výbuchy parních kotlů tak tragické.
Za provozu je nutno udržet horní stěnu ohniště (9) pod vodou, jinak se poškodí. K tomu slouží injektor (33) pro doplňování vody a vodoznak (7) pro kontrolu. Pára se odebírá z parního dómu (13), umístěného co nejvýše nad hladinou, abu se voda nedostala do potrubí (16). Množství odebírané páry lze řídit ventilem (14,6) a ve spolupráci s polohou ovládací (reverzační) páky (4) řídit výkon stroje.

How does it work ?
Early in the morning the boiler is filled with water (12) in the round-house and the fire is started in the firebox (8). The water starts boiling and steam pressure increases. Boiling water has a bigger temperature than 212°F under presure (for example, 300°F at 70 PSI). When the boiler blows out, the pressure goes down and all water changes to steam. This is way a boiler explosion is so catastrophic.
It is necessary that upper side of the firebox (9) is still under water, otherwise it will be damaged. There is water injector (33) for refilling water and the water gauge (7) for checking water level. The steam is withdrawen from the steam dome (13) on top on the boiler, so that water doesn't go into the pipe (16). The throttle valve (14,6) adjusts steam flow and together with the reverse lever (4) regulates engine power.

Protože pára při ochlazení kondenzuje, používá se přehřívač (19,20), který tzv. mokrou páru ohřeje na vyšší teplotu beze změny tlaku (ostrá pára). Ta je přez šoupátko (23) střídavě pouštěna na obě strany pístu (25) a koná práci. Šoupátko je ovládáno rozvodem (viz další obrázky) tak, aby připouštělo a vypouštělo páru ve správný okamžik. V koncových polohách (tzv. úvratích) nemá píst žádnou sílu. Aby se stroj v této tzv. mrtvé poloze nezastavil, je chod druhého pístu posunut o 90°, tj. v mrtvé poloze jednoho pístu je druhý uprostřed. Pro plynulý chod mají stacionární stroje setrvačník, který u lokomotiv nahrazuje hybnost lokomotivy samotné. Aby parní kotel nevybouchl přetlakem, když topič moc přiloží, je tu bezpečnostní ventil (10), raději dva.

Because the steam condensis if it cools down, the superheater (19,20) is used. It changes the "damp steam" into the "fresh steam". The fresh steam has a higher temperature at the same presure than the damp steam. Throuhg the slide valve (23) the steam goes into the piston (25) and alternately to opposite side and make labour. The slide valve is driven by thr valve gear (see next pictures). The piston hasn't got any strong in-the-end-positions (the so-called the "dead points"). So that the engine don't stop, the second piston has rotated by 90 degrees. At the dead point of first piston, the second piston is in the middle of its way. The stationary engines have the flywheel for a smooth run, the locomotive has its own motivity only. So that the boiler doesn't explode, here is the safety valve (10).

A tady je použítí reverzačního mechanismu pro změnu směru jízdy. Krajní polohy jezdce v kulise představují maximální výkon stroje vpřed a vzad. Čím blíže ke středu, tím menší plnění válců párou (po kratší část cyklu) a tím nižší výkon stroje.

Here is how the reverse mechanism works. End positions of the expansion link represent the maximal power of the engine in the forward and backward run. Positions close to the center of expansion link give smaller steam filling (for shorter time) and less power.

1. výstředník 2. výstředníková tyč 3. reverzační tyč 4. reverzační táhlo 5. reverzační páka 6. reverzační páka 7. kulisa

8. kulisová tyč 9. křížák 10. kulisa šoup. tyče 11. spojovací tyč 12. kombinační páka 13. šoupátková tyč 14. šoupátko

1. Eccentric Crank 2. Eccentric Rod 3. Reach Rod 4. Lifting Link 5. Lifting Arm 6. Reverse Arm & Shaft 7. Link (Expansion Link)

8. Radius Bar 9. Crosshead Arm 10. Valve Stem Guide 11. Union Link 12. Combination Lever 13. Valve Stem 14. Valve Spindle

A takhle to vypadá v reálu. Je to fotografie rozvodů lokomotivy 4-6-2 "Pacific", rok výroby 1914. Lze předpokládat, že v té době vypadaly poněkud líp, míň rezu a víc oleje .

And this is actual appearance. It is a picture of the valve gear of the 4-6-2 "Pacific" locomotive, built in 1914. It looked better in this time I hope - less rust and more gear oil .

Lokomotivní ilustrace a animace jsou použity se souhlasem autora. Zde jsou originální stránky : http://home.new.rr.com/trumpetb/loco/.

Locomotive illustrations and animations are from http://home.new.rr.com/trumpetb/loco/ used by permission.

Když si uvědomíme technické možnosti výroby v roce 1835 jsou zajímavé metody zatěsnění jednotlivých dílů kotle. Zatěsnění snýtovaných plechů bylo jednoduché. Protiúdery kladivy do konců plechů došlo k městnání materiálu a tím se to utěsnilo. A bylo.

The method of sealing parts of the boiler is fascinating when you think about manufacturing ability in 1835. The sealing of sheet of boiler was easy. Rivet joined sheets were beat by hammer into the ends. The material was compacted and sealed. That's all.

Měděné kotlové trubky byly zas do čel zaválcovány přípravkem podle obrázku. Tři válečky jsou uloženy v košilce a ta rotuje. Mezi válečky se nasouvá trn a konec trubky je roztahován a zalisován do díry v čele kotle. Pohon byl samozřejmě ruční.

The ends of the copper pipes are expanded to the boiler forehead by next tool. Three rollers are placed in the holder and the holder rotates. The spin is pushed between the rollers and the end of the pile is expanded. Propulsion was by hand at this time, of course.

Pro zájemce ještě obrázek programu, který umí simulovat a počítat různé typy rozvodů parních strojů. Program je zde (10MB). Díky Mr. Dockstader za Váš freeware.

Here is a screenshot of valve gear simulator. Here is the zipped program (10MB) for all types of the valve gear. Thanks to Mr. Dockstader for your freeware.