Kiedy domowe kotłownie zapadają pomału w letni sen, wyskoczmy na wyprawę do dawnego królestwa węgla – na kolej. Zobaczymy, jaki był poziom techniczny stosowanych w parowozach rozwiązań z zakresu spalania węgla, dlaczego właściwie parowozy zniknęły z torów i jak wyglądałaby ta maszyna zbudowana w XXI wieku?

Jak zniknął węgiel

Schyłek ery lokomotyw opalanych węglem zaczął się w połowie XX wieku. W Polsce zaprzestano produkcji parowozów pod koniec lat 50. po czym stopniowo ustępowały one miejsca lokomotywom elektrycznym i spalinowym. W USA parowozy wycięto jeszcze szybciej, bo już w latach 50., a w Europie proces trwał do końca lat 70. Zupełnie inaczej sytuacja wyglądała w Azji, RPA i Ameryce Południowej. Tam produkowano je do końca lat 80. a w ruchu są wykorzystywane do dziś, choć nigdzie nie wiązano z trakcją parową przyszłościowych planów.

Na zniknięcie parowozów złożyło się wiele czynników. Przede wszystkim pojawiły się realne, lepsze pod pewnymi względami alternatywy: trakcja spalinowa i elektryczna. Na początku XX wieku oba te rodzaje trakcji już istniały, ale ograniczenia technologiczne nie pozwalały na szersze stosowanie ich na kolei. Jednak ich rozwój trwał i w latach 30. XX wieku stanowiły już sensowną alternatywę dla pary, a w latach 50. zaczęły wypierać parowozy całkowicie.

Nie bez znaczenia jest też bardzo niska sprawność cieplna parowozu. Na początku XX wieku wynosiła ona ledwie 5-6%. Najlepsze polskie konstrukcje dobiły do 10%. Jak widać na poniższej grafice, 2/3 strat w parowozie generowane jest przez samą maszynę parową, ale 25% tracone w kotle to też niebagatelny kąsek.

Trakcja spalinowa i elektryczna nie mają oszałamiająco wyższych sprawności. Znane nam obecnie metody zamiany ciepła w energię mechaniczną są dość kiepskie. Czy to silnik diesla w lokomotywie spalinowej, czy turbina parowa w elektrowni zasilającej elektrowóz – ich sprawność cieplna nie przekracza 40%. Ale trakcja parowa w wydaniu z połowy ubiegłego stulecia była nie tylko nieefektywna energetycznie, ale i trudna oraz droga w utrzymaniu i obsłudze.

David Wardale, jeden z ostatnich inżynierów rozwijających konstrukcje parowozów, w swojej książce Red Devil and other tales from the age of steam /Czerwony Diabeł i inne opowieści z ery pary/ zauważa, że do tak szybkiego zniknięcia parowozów z torów przyczynili się sami konstruktorzy tych maszyn. Jego zdaniem, przez dekady nie potrafili oni zaproponować nowych rozwiązań usuwających podstawowe bolączki trakcji parowej, a w tym samym czasie rozwój trakcji elektrycznej i spalinowej przebiegał w szybkim tempie.

Jeździ i dymi

Niemal nieodłącznym elementem obrazków z parowozami są kłęby czarnego dymu. Dlaczego?

Parowozy opala się najlepszymi (najbardziej kaloryczymi) gatunkami węgla. To zrozumiałe – przestrzeń ładunkowa na paliwo jest ograniczona, więc liczy się jego gęstość. Im więcej energii da się wycisnąć z tej samej objętości i wagi paliwa, tym lepiej. Węgiel nie ma tu większej konkurencji, może poza olejem napędowym.

Spalany jest wysokokaloryczny węgiel, a tymczasem palenisko parowozu nie różni się wiele od znanych nam domowych kotłów. W parowozie mamy oczywiście kocioł parowy, o znacznie większej mocy, temperaturze i ciśnieniu roboczym, jednak jest to wciąż bardzo prymitywne palenisko górnego spalania. Moc kotła jest regulowana ilością paliwa na ruszcie. Słowem: ile wrzucisz, tyle się pali.

Palenisko jest wprawdzie prymitywne, ale nie znaczy to, że z komina parowozu non stop wali czarny tuman dymu. Wszystko zależy od umiejętności palacza. A te musiały być wprost mistrzowskie. Przedwojenna instrukcja opalania parowozu szczegółowo przedstawia technikę palenia różnymi rodzajami krajowego węgla, kładąc także nacisk na ograniczanie uciążliwego dla otoczenia i kosztownego dla kolei dymienia (obsługa dostawała premie za oszczędności węgla).

Technika palenia zalecana w instrukcji jest chyba najlepsza z możliwych w tego typu palenisku, co niestety odbywa się kosztem wygody palacza. Warstwa węgla na ruszcie ma być względnie cienka, czyli jej grubość jest znacznie mniejsza od długości/szerokości paleniska. Palacz musi dorzucać węgiel małymi porcjami, ale często, i pilnować, by nie wypalały się dziury w warstwie żaru. Dorzucanie małymi porcjami, mimo że węgiel ląduje na żarze, nie powoduje wielkiego dymienia, ponieważ mała porcja zimnego węgla nie wychładza paleniska ani tym bardziej nie dusi ognia.

Parowóz opalany przez dzisiejszego domowego palacza typu sypię wiadro – lufcik zamykam – z powrotem na kanapę nie ruszyłby nawet z peronu…

Umiejętne dosypywanie węgla to jedno. Palacz musiał jeszcze znać z wyprzedzeniem trasę pociągu, by wiedzieć, kiedy potrzebna będzie większa moc i odpowiednio wcześnie zacząć dorzucać węgiel do wymaganego poziomu. Inaczej zwiększone obciążenie wymagałoby szybkiego zasypania paleniska węglem, co powoduje silne dymienie i efekt odwrotny od zamierzonego – chwilowy spadek mocy. Oczywiście nie zawsze udawało się wszystko ładnie zgrać, stąd momentami parowóz przydymiał niemiłosiernie.

Jednak nawet taki gęsty dym wciąż nie jest tym, co przeważnie wypuszczają z siebie domowe kominy. To nie opary smół, lecz zawiesina cząstek sadzy. Siwo-biały odcień to efekt wymieszania dymu z odpadową parą wodną, która ma za zadanie wspomagać ciąg w kotle.

Dlaczego nie próbowano skonstruować kotła parowozu, który bez specjalnych zabiegów spalałby czyściej? Bo nie było jeszcze ekologów? Nie. Dawniej nie to było największym problemem parowozów. Wysiłki konstruktorów szły najpierw w kierunku ulepszeń systemu generowania pary, jej wykorzystania w maszynie parowej i sposobu napędu. Efektywność energetyczna parowozu nie była w centrum uwagi, gdyż węgiel był tani i powszechnie dostępny, a technologicznej konkurencji dla trakcji parowej jeszcze nie było.

Parowóz kondensacyjny

W czasie, gdy Europa i USA dawno już porzuciły trakcję parową, w innych rejonach świata wciąż miała się ona dobrze i pracowano nad jej rozwojem, także w kierunku lepszego wykorzystania paliwa.

Tym, który wprowadził trakcję parową w XXI wiek, był argentyński inżynier Livio Dante Porta (żył w latach 1922-2003). Gdy zaczynał swoją karierę w roku 1949, era pary zaczynała się kończyć. Był kontynuatorem dzieła francuskiego inżyniera Andre Chapelona (1892-1978), który jako jeden z niewielu konstruktorów lokomotyw stosował w swojej pracy wiedzę z termodynamiki oraz mechaniki i naukowe podejście zamiast prób i błędów „na pałę”.

Pierwsze dzieło Porty – parowóz Argentyna – nie miał sobie równych, ale to był zaledwie początek. Najlepszy parowóz jego konstrukcji osiągnął sprawność rzędu 21%, a gdyby przerobić kocioł na kondensacyjny, to sprawność sięgnęłaby 27%.

Jednym z kluczy do takich osiągów było przeprojektowanie paleniska parowozu. Porta przerobił stosowany dotąd prosty kocioł górnego spalania w zaawansowane palenisko zgazowujące. W procesie zgazowania wykorzystał zużytą parę, a spalanie przebiegało z udziałem powietrza wtórnego.

Zaowocowało to dużo czystszą pracą kotła, zwiększoną efektywnością wykorzystania paliwa, a także możliwością opalania parowozu dowolnymi paliwami, a nie jak dotąd jedynie wysokokalorycznym węglem.

Porta zaprojektował też kilka wersji nasady wydechowej zwiększającej ciąg kominowy i opracował system uzdatniania wody doprowadzanej do kotła – na tyle dobry, że możliwe stało się nawet zasilanie parowozu wodą morską.

Dzięki połączeniu tych i innych rozwiązań, wyeliminowano problemy korozji i zarastania kotła sadzą, popiołami i kamieniem kotłowym. Pozwoliło to do minimum ograniczyć częstotliwość i koszty obsługi kotła parowozu – czyszczenia i wymiany części.

Niestety, ponieważ kariera Porty i jego naśladowców przypadła na schyłek ery pary, to ich rozwiązania konstrukcyjne nie wyszły daleko poza ulepszenia i przeróbki istniejących konstrukcji. Jednym z takich dowodów, że się da był południowoafrykański Czerwony Diabeł z lat 80. – standardowy parowóz, w którym David Wardale zastosował ulepszenia Porty, osiągając 60-procentowy wzrost mocy i podwajając jego sprawność cieplną do 12%. Nie był to szczyt możliwości technicznych, a jedynie budżetowa przeróbka seryjnego parowozu.

Był to jednak pojedynczy egzemplarz, który – po wyjeździe autora do Chin – przerobiono z powrotem do wersji fabrycznej. Kierownictwo kolei nie było bowiem zainteresowane inwestowaniem w rozwój trakcji parowej.

Polski ślad

W połowie lat 80. XX wieku nasi inżynierowie testowali nowe ulepszenia w budowie parowozu. Wzięto na warsztat parowóz Ty2-1285 i skonstruowano w nim palenisko zgazowujące według projektu Porty oraz zamontowano automatyczny podajnik węgla (stoker).

Po serii testów na trudnych terenowo liniach w okolicy Piły wyniki były obiecujące. Stwierdzono ponad 30-procentowe oszczędności na opale i wzrost mocy parowozu. Analizy wykazały, że taki wysokosprawny parowóz byłby w niektórych zastosowaniach bardziej opłacalny w produkcji i użytkowaniu niż stosowane wówczas (w większości do dziś dnia) modele lokomotyw spalinowych.

Projekt umarł jednak śmiercią naturalną, bo trakcję parową decydenci już skreślili, a parowóz przebudowano z powrotem do stanu pierwotnego. Historię polskich eksperymentów z parowozami „gazowymi” opowiada poniższy film na kanale Youtube Kolejwizja:

Jedną nogą w lamusie

Losy trakcji parowej są ściśle związane z losami węgla. W wielu dziedzinach techniki nastąpiło nagłe przejście do paliw płynnych i gazowych z całkowitym porzuceniem paliw stałych. Trzeba było dekad, by miejscami zaczęto się zastanawiać, czy to na pewno był słuszny krok.

Czy możliwy jest powrót trakcji parowej na tory? Technicznie tak. Da się zbudować lokomotywę parową bardziej efektywną i niezawodną dzięki stanowi dzisiejszej techniki (precyzja i jakość wykonania części), w której obsługa nie widziałaby szufli na oczy, siedząc w czystej, wygodnej kabinie, a koszty eksploatacji byłyby niższe niż dla lokomotyw spalinowych.

Problem jest jednak zaskakująco przyziemny i zbliżony do tego, co obserwujemy w domowym ogrzewaniu węglem – wszystko rozbija się o mentalność decydentów kolejowych, którzy mają zakodowany w głowach obraz parowozu jako nieefektywnego, drogiego w utrzymaniu, śmierdzącego i trującego. Cóż więc z tego, że są gotowe podstawy naukowe i techniczne, jeśli nie ma chętnych, by wyłożyć pieniądze na zbudowanie choćby jednej nowoczesnej lokomotywy parowej (projekt 5AT upadł właśnie z niemożności zebrania 11mln funtów na projekt i budowę nowoczesnego parowozu). Nie wspominając o ekologach, którzy dostaliby palpitacji na samą myśl o powrocie opalanych węglem lokomotyw, nawet gdyby nie truły one bardziej niż diesle.

Para współcześnie

Badaniami nad trakcją parową zajmują się ośrodki w Argentynie, RPA, ale i firma w Szwajcarii. Ta ostatnia prezentuje kompleksową wizję nowoczesnej pary – mają na stanie parę zmodernizowanych parowozów, którymi obsługują lokalną linię, na której trakcja elektryczna okazała się nieopłacalna, a trakcja parowa nie dość, że tańsza, to jeszcze przyciąga turystów.

Powyższa maszyna to pospolity poniemiecki Ty-2 – jedna z bardziej udanych konstrukcji w historii kolejnictwa. Poprawki objęły przede wszystkim: ulepszenia paleniska i kotła wg Porty, możliwość opalania naftą, zastosowanie łożysk tocznych, lepszą izolację, dokładniejsze wyważenie napędu. Tutaj filmik z przejazdów tego parowozu:

Interesująco prezentuje się porównanie emisji zanieczyszczeń, efektywności i kosztów eksploatacji starej i nowej trakcji parowej oraz spalinowej – mocno na korzyść pary (całkiem możliwe jednak, że dane o emisji dotyczą parowozu opalanego naftą, a nie węglem).

Firma rozwija technologie związane z napędem parowym. Ma na swoim koncie parę modernizacji starych parowozów jak i budowę zaprojektowanych od zera niedużych jednostek dla lokalnych kolejek. W kręgu zainteresowań są nie tylko tradycyjne parowozy z paleniskiem na pokładzie, ale i bezogniowe – które gromadzą parę w zasobniku pod wysokim ciśnieniem. Pomysł jest o tyle ciekawy, że umożliwia zasilanie takich parowozów parą wyprodukowaną ze spalania dowolnych paliw w instalacjach o wiele bardziej ekologicznych niż nawet najbardziej wyrafinowane palenisko parowozu, co czyni pomysł bardzo atrakcyjnym, także ekologicznie.

Do pary jak trwoga

Póki sytuacja na rynku ropy naftowej jest w miarę stabilna, nie ma co liczyć na powrót lokomotyw parowych do szerszego użytku. Mimo że nowoczesne parowozy nie ustępowałyby trakcji spalinowej w kosztach użytkowania, to jednak różnice między maszyną parową a silnikiem Diesla są głębsze niż się zdaje i przekładają się na lepsze własności trakcyjne spalinowozu. Przykładowo z uwagi na zasadę działania maszyny parowej oraz położenie większej części masy (paliwo i woda) poza osiami napędowymi, parowóz jest bardzo słaby w momencie ruszania z miejsca i nabiera mocy dopiero wraz z rozpędzaniem. To sprawia trudności w prowadzeniu ciężkich składów oraz na odcinkach górskich (dłuższy nieco inżynierski artykuł po angielsku na ten temat).

Obyśmy jednak nigdy nie przepraszali się z silnikami parowymi pod przymusem – jak postapokaliptyczny świat bez elektryczności w Autobahn nach Poznań Andrzeja Ziemiańskiego.

—

Zdjęcie tytułowe: Dozer, rail.photorans.eu

Instrukcja opalania parowozu

Czy parowozy powrócą na szlak? Artykuł z Młodego Technika, 1994