***Jak fungují parní lokomotivy?

V tomto článku popíšeme princip funkce parních lokomotiv. Jelikož je článek určen železničním modelářům nebudeme zacházet do přílišných detailů a popíšeme jen základní principy funkce a hlavní díly parních lokomotiv provozovaných dříve na našich drahách. V úvodu tohoto článku se věnujeme vzniku našich prvních železničních tratí s koňským provozem a okolnostem které umožnily vznik parních lokomotiv a železniční sítě ve světě i u nás.

Chcete-li číst dále, klikněte myší na nadpis tohoto článku...

Na článku se zatím pracuje...

První železnice
Ještě dříve než koleje ovládla pára, tahala po kolejích vozy koňská spřežení. Valivý odpor kola vozu na tehdejších silnicích byl totiž podstatně větší než než kola vozu na kolejích. Kůň tak utáhnul po kolejích zhruba desetkrát větší náklad než po silnici. Vynález kolejí je prastarý, ale kovové kolejnice se začaly používat až v novověku, a to nejprve v dolech při těžbě kovů a rud, teprve později i uhelných dolech. Když zmiňuji kovové kolejnice, je to poněkud nadnesené. Zpočátku se jako kolejnice používaly dřevěné trámky, později byly tyto trámky pobité kovovými pásy. Teprve na začátku devatenáctého století se použití kovových kolejnic přeneslo na předchůdce dnešních železnic, koněspřežní dráhy. První koněspřežná dráha u nás byla postavena z Českých Budějovic do rakouského Lince. V provozu byla v létech 1825 až 1872. Druhá koněspřežná dráha vedla z Prahy do Kladna a byla v provozu v létech 1830 až 1873.
Teprve později se začaly na kolejích používat parní lokomotivy. Tento vynález k nám přišel z Anglie, kde byl vynalezen a zdokonalen parní stroj (James Watt 1765) a později i parní lokomotiva (Richard Trevithick 1804). Lokomotivu pro praktické použití dále zdokonalil George Stephenson (lokomotiva Rocket, rok 1829).
Lokomotiva tak nahradila koně, kteří do té doby tahali železniční vozy. V té době bylo již nutné kvůli váze lokomotiv nahradit dřevěné kolejnice pobité železnými pásy kolejnicemi litinovými. Ani ty se ale neosvědčily a tak je bylo nutné brzy nahradit válcovanými ocelovými kolejnicemi. I tvar kolejnice se postupně vyvíjel a dnes se používají kolejnice s širokou patou a s výškou mezi 150 mm a 180 mm.
K provozu parních lokomotiv je ovšem potřeba uhlí. Je tedy zřejmé, že těžba uhlí umožnila vznik parních lokomotiv. A nejen to, již o dvacet let dříve před vznikem první použitelné parní lokomotivy zkonstruoval Robert Fulton první paroloď (roku 1807). A ještě dříve se využívalo uhlí a parní stroje v továrnách (hutích, textilkách a dalších). To vše umožnilo výrobu železa, oceli a dalšího zboží a vynutilo si přepravu surovin a zboží v globálním rozsahu. Jedině proto mohla vzniknout paroplavba a železnice s parními lokomotivami. Tomuto období rychlého vývoje průmyslu a dopravy se říká průmyslová revoluce, která trvala zhruba od roku 1750 do roku 1850. Tento vývoj proběhnul nejdříve v Anglii, která byla v té době vedoucí silou ve strojírenském a textilním průmyslu.

První parostrojní železnice a výroba lokomotiv
Když se v Rakousku rozhodli zavést železnice s parostrojním provozem, nejprve importovali anglické lokomotivy, části kolejí a dokonce i strojvedoucí, kteří zpočátku zaučovali rakouský personál. Nedříve se stavěly nové trati (jako např. Severní dráha císaře Ferdinanda) a další. V roce 1845 došla dráha z Vídně až do Prahy a v roce 1851 z Prahy do Děčína (a dále do Drážďan). Později došlo k výstavbě dalších parostrojních drah i k přestavbě koňských drah na parostrojní. Brzy došlo k výrobě lokomotiv v Rakousku, nejprve ve Vídni a dalších městech a od roku 1900 v První českomoravské strojírně v Praze, která v roce 1927 fúzovala do firmy ČKD (Českomoravská Kolben Daněk). V roce 1920 začala vyrábět lokomotivy i Plzeňské Škodovka, která byla před první světovou válkou (i během ní) největší rakouskou zbrojovkou. Když po první světové válce v roce 1918 vzniklo Československo, Škodovka musela hledat nový mírový výrobní program. A proto v roce 1920 založila výrobu lokomotiv.

Krátké zamyšlení o významu fyziky pro dnešní svět
Železnice by nemohla vzniknout, kdyby lidé nechápali fyziku. Jedině správné pochopení významu pojmů jako síla, hmotnost, tíha, rychlost, zrychlení, tření, adheze, pružnost a pevnost a vůbec celá mechanika, termodynamika, později elektrotechnika, ale i chemie (která je vlastně také součástí fyziky), to jsou teoretické základy nutné ke konstrukci strojů a zařízení, která dnes běžně používáme. Právě dobré zvládnutí matematiky, fyziky a ostatních technických věd umožnilo dosáhnout dnešní životní úrovně. Na to se dnes bohužel velmi často zapomíná.
Za mého dětství a dospívání (šedesátá a sedmdesátá léta 20. století) nebylo tak výjimečné, že si lidé byli schopni sami opravit auto nebo postavit jednoduchý radiový přijímač nebo zesilovač. S tím jak postupoval technický vývoj, jsou současná auta a elektronická i jiná zařízení stále složitější, takže dnes si je již stěží sami opravíme. Tím se lidé čím dál více odtrhují od techniky a jejích principů, ačkoliv dnes vděčíme právě technickým zařízením za současnou životní úroveň ještě více než před padesáti léty.

Jak tedy parní lokomotiva funguje?
Zjednodušeně se dá říci, že parní lokomotiva využívá energii vzniklou spalováním uhlí na výrobu páry, která v parním stroji tlačí na písty a přeměňuje tak tepelnou energii páry na pohybovou energii kol lokomotivy, která pohánějí vlak. V dalším textu to vysvětlíme podrobněji.
Parní lokomotiva si s sebou veze kotel (tlakovou nádobu na vodu a páru) s topeništěm, ve kterém se spaluje uhlí. Uhlí je vlastně pozůstatek dřeva z pravěkých lesů, které se propadaly do bahna a pod vodu, a tak nemohly zcela zetlít. Oheň v topeništi ohřívá vodu v kotli kolem topeniště a kouřové plyny procházejí žárovými trubkami skrz ležatý kotel a ohřívají vodu i v této části kotle. Voda v kotli vaří a vyvíjí páru. Pára se vede z hořejší části kotle do regulátoru, který ovládá strojvedoucí, přes přehřívačové trubky a přes šoupátka do parního stroje, kde tlačí na píst a uvádí jej tak do pohybu. Pístní tyč (neboli pístnice) se pohybuje spolu s pístem vpřed a vzad a přes křižák, který je vedený pravítky, a přes ojnici a spojnice pohání kola lokomotivy. Pára v parním stroji expanduje a tím se mění její tepelná energie na mechanickou. Aby parní stroj správně fungoval, dávkování páry před píst a za píst řídí samočinně rozvod lokomotivy pomocí kulisy, předstihových pák a šoupátek. Tak se pára dostane ve správný okamžik před píst nebo za píst, podle toho, kam se má píst v daný okamžik pohybovat. Rychlost a směr lokomotivy ovládá strojvedoucí regulátorem a nastavením rozvodu z budky lokomotivy. Pokud jste pozorně četli až sem, musí vás napadat následující otázka:
Kam se vyfukuje expandovaná pára z parního stroje? Pára vychází přes šoupátka z parního stroje do výfuku, který je vyveden do dyšny umístěné v dýmnici lokomotivy. Dýmnice je vlastně ještě součástí kotle, do které jsou vyvedeny z žárové trubky z kotle a ze které vychází komín. Dýmnice je vpředu na lokomotivě nad parním strojem. Dyšna je poněkud zúžená trubka pod komínem v dýmnici, kterou se vyfukuje odpadní pára z parního stroje do komína lokomotivy. Přitom výfuková pára vytváří v dýmnici podtlak a tím sebou strhává kouřové plyny z topeniště. Je to důmyslně uspořádáno, protože, když lokomotiva jede a parní stroj je v činnosti, tak výfuková pára strhává kouřové plyny a vyváří v topeništi tah. A nejen to, čím více se spotřebuje v parním stroji páry, tím větší je v topeništi tah a voda více vaří a vyvíjí se více páry pro pohon parního stroje. Když lokomotiva stojí je v topeništi jen malý tah. Původně byla na lokomotivách jen jednoduchá dyšna, popsaná výše. U pozdějších lokomotiv se používaly vylepšené dyšny typu Giesel nebo Kylchap nazvané podle svých konstruktérů. Přitom princip fungování dyšny je stále stejný. Zbývá nám odpovědět několik otázek:

Jak se doplňuje voda v kotli a uhlí v topeništi?
Každá lokomotiva si s sebou musela vézt zásoby uhlí a vody. K tomu sloužil zvláštní vagon těsně spojený s lokomotivou, ve kterém bylo jak uhlí, tak voda. Tomuto vozu se říká tendr. Některé lokomotivy si vezly zásoby vody a uhlí přímo na sobě. Takovým lokomotivám se říkalo tendrové.
Vody bylo potřeba zhruba dvakrát až třikrát více než uhlí a stejně se musela voda cestou doplňovat. Samozřejmě voda v kotli nemohla dlouho vydržet, protože se vařila a vypařená pára se spotřebovávala v parním stroji a vyfukovala do komína. Zůstává tedy otázka, jak se voda doplňovala do kotle. K tomu sloužilo zvláštní zařízení zvané injektror.
Injektor funguje na základě Bernoulliho jevu. Pára z kotle je vedena zužujícími se trubicemi, čímž se její tlak přemění na rychlost. Vysokou rychlostí se pára dostane do vodního prostoru injektoru, kde s sebou strhává vodu, které předá svou rychlost a v této vodě zkondenzuje. Rychle se pohybující voda v soustavě rozšiřujících se trubic přemění svou rychlost na tlak, který je vyšší než tlak v kotli, takže přes zpětný ventil proudí do kotle. Injektor je robustní zařízení, které nemá pohybující se díly a proto bylo vhodné pro drsný provoz na naší železnici. V Německu se ale používala k napájení kotle také pístová napájecí čerpadla.

Všichni asi vědí, že do topeniště musel topič přikládat uhlí. Nebylo to snadné, na velkých lokomotivách musel topič do topeniště naházet za směnu přes 5 tun uhlí a ještě přitom musel umět lopatou dobře mířit, aby rozprostřel uhlí po celém roštu rovnoměrně. Proto na našich největších lokomotivách museli být dva topiči, kteří se střídali. Na moderních velkých parních lokomotivách řad 475.1, 477.0, 498.1, 556.0 vyráběných po druhé světové válce se používal mechanický přikladač zvaný štokr. Později se štokrem vybavovaly i starší lokomotivní řady např. 378.0, 486.0. V mechanickém přikladači se používal šnekový pohon poháněný malým parním strojem, který postrkoval uhlí z tendru do topeniště. Aby se uhlí dostalo na celý rošt, při pádu do topeniště se rozfukovalo stlačeným vzduchem pomocí trysek, kterými bylo možné uhlí nasměrovat na správné místo roštu. Později se uhlí rozfukovalo přímo parou z kotle. Bylo to totiž úspornější než parou vyrábět v kompresoru stlačený vzduch a ten používat na rozfukování uhlí.

Mohlo se v lokomotivě topit něčím jiným než uhlím?
Ano, plzeňská Škodovka například dodávala na export do Kolumbie lokomotivy, ve kterých se topilo dřevem. Po druhé světové válce se dělaly pokusy, při kterých lokomotivy spalovaly uhelný prach (mour), který se do topeniště musel foukat. Ale tento způsob topení se neujal. Úspěšnější bylo spalování mazutu v lokomotivách. Mazut je neodpařený zbytek při destilaci ropy a využíval se v šedesátých a začátkem sedmdesátých let na topení i spalování v lokomotivách. Mazutky byly přestavěné německé válečné lokomotivy řady 52 (u nás řady 555.0) na topení mazutem (tím vznikla řada 555.3 - mazutka). Éra spalování mazutu ovšem skončila v sedmdesátých létech dvacátého století po ropné krizi, kdy najednou byla ropa drahá a spalování zbytků po její destilaci začalo být luxusem. Další destilací za sníženého tlaku se totiž z mazutu dají získat minerální oleje a asfalt.

Jak funguje lokomotivní rozvod?
Při provozu parních lokomotiv bylo potřeba, aby se pára dávkovala v přesném množství a v přesném okamžiku před píst nebo za píst parního stroje, podle okamžité polohy pístu, směru jízdy lokomotivy a potřebného zatížení parního stoje. Protože by žádný člověk nemohl řízení tohoto dávkování stíhat provádět ručně, využíval se k tomu důmyslný mechanický automat, nazývaný lokomotivní rozvod. Rozvody musely být použity u všech stabilních parních strojů i u lokomotivních parních strojů, tedy již i u prvních lokomotiv. S postupným vývojem a modernizací lokomotivní konstrukce se vyvíjely i rozvody. Starší parní lokomotivy na našich drahách používaly rozvody Stephenson nebo Allan-Trick.
Zhruba od roku 1900 se u nás používal již převážně kulisový rozvod Heusinger a téměř všechny naše parní lokomotivy vyráběné v PČM (resp. v ČKD) nebo ve Škodovce (od roku 1920) jím byly vybaveny. Několik našich lokomotivních řad bylo vybaveno ventilovým rozvodem, nejčastěji typu Lentz (např. řady 354.1 a 524.1, případně řada 431.0 jezdící převážně jen na Slovensku). Ventilový rozvod se však pro svoji náročnost na údržbu a spornou úsporu páry a paliva u ČSD neujal.

Zbývá vysvětlit přesnou funkci lokomotivního rozvodu, což už tak snadné není. Tak alespoň naznačíme princip funkce Heusingerova šoupátkového rozvodu s vnitřním vstupem páry, který pomocí protikliky (53), výstředníkové tyče (35), kulisy (36), posuvné šoupátkové tyče (26), přenáší pohyb na šoupátko. Současně se pohyb na šoupátko přenáší i z pohybu křižáku přes táhlo unašeče (28) a předstihovou páku (27). Kromě toho se pohyb kulisy dá nastavit klikou (50) z budky strojvedoucího. Pohyb šoupátka je časován tak, aby když píst dojde do přední úvratě, šla pára před píst a tlačila jej dozadu a naopak ze zadní úvratě jej tlačila vpřed.
Další vysvětlení by již přesahovalo rámec tohoto článku, takže dál už musíte studovat a hledat sami. Bez samostatného vzdělávání nelze být dobrým železničním modelářem. To ostatně platí ve všech oborech. Na internetu najdete pěkné vysvětlení např. na www.wikipedia (pod heslem lokomotivní parní stroj), včetně animace pohybu, i když jen pro rozvod s vnějším vstupem páry.
https://cs.wikipedia.org/wiki/Lokomotivn%C3%AD_parn%C3%AD_stroj

Na článku se zatím pracuje...

termodynamika,

© A.T. - 30.1.2024
Jakékoliv šíření obsahu našeho webu je bez písemného souhlasu autora webových stránek zakázáno.