Locomotivă cu abur

Locomotiva cu abur este o locomotivă propulsată cu ajutorul forței aburului. Motorul cu abur a fost folosit pentru locomotive timp de mai bine de o sută de ani de la inventarea acesteia la începutul secolului XIX, până la înlocuirea definitivă cu tehnologia diesel și mai apoi alte motoare moderne.

Imagineaza-ti viata ta fara masina, tren sau alte mijloace de transport la care eu nu vreau sa ma gandesc in momentul acesta. Cum ar fi daca masina n-ar exista sau trenul nici nu ar fi fost inventat? Dar, ce noroc pe tine, pe mine si pe restul din jurul nostru ca toate aceste masinarii care ne usureaza viata au fost inventate cu mult timp inaintea noastra. Acum cateva zile am scris un articol despre un inventator roman care a construit un autoturism pe abur. El a fost cel care a pus bazele masinilor pe care le veneram astazi si de care avem mare nevoie. Tot atunci va spuneam ca nu intru in detalii despre cum functioneaza un cazan cu abur, cazan care a fost folosit si de inventatorul roman. Al naibii coincidenta. Acelasi model de cazan cu abur este folosit si la locomotivele cu abur si acum este momentul potrivit pentru o lectie de “mecanica de balta”.

Locomotivă cu abur românească construită la Reşiţa, 
din seria 230, destinată trenurilor de călători

Locomotive cu abur celebre într-o ilustraţie dinBrockhaus
 and Efron Encyclopedic Dictionary (1890-1907)

Începutul

Înainte de a se ajunge la locomotiva cu abur au fost necesari doi pași importanți: îmbunătățirea substanțială a motorului cu abur de catre inventatorul James Watt și construirea unei mașini cu abur de inventatorul francez Nicolas-Joseph Cugnot. Ideea de locomotivă a apărut la început ca soluție la transportul minereului din galerii miniere. Înainte de inventarea locomotivei era folosită în acest scop tracțiunea animală. Caii de tracțiune aveau o soartă nefericită și o durată a vieții redusă, deseori murind în mine. Astfel această soluție s-a dovedit necorespunzătoare și, în căutarea unei alternative, a apărut prima locomotivă propulsată cu ajutorul puterii aburului construită de Richard Trevithick în 1804. Așadar în 1829 inventatorul George Stephenson inaugurează locomotiva sa Racheta (Engleză: The Rocket) care este considerată prima locomotivă rentabilă. Racheta a fost prima locomotivă folosită pentru transportul de persoane între două orașe (Liverpool șiManchester).

În România, prima locomotivă cu abur a fost construită în anul 1872 la Reșița, pe atunci în componența Austro-Ungariei. Locomotiva avea ecartament îngust (948 mm), a fost construită după proiectul lui John Haswell și denumită Reșița.

Schema de functionare: 1. balansoar; 2. manivela (are rolul de a defaza sertarul cu un sfert de ciclu fata de manivela atasata rotii motoare); 3. tija ce actioneaza sertarul; 4. tija transversala (imbunatateste sincronizarea sertarului); 5. pivot (ce conecteaza tija principala de tija transversala); 6. cilindrul sertarului; 7. cilindrul principal; 8. tija de reglare (actionata de mecanic)

Principiul de functionare a unei locomotive cu abur este foarte simplu de inteles si nu necesita cunostiinte in domeniu, ci o buna imaginatie. Cel mai simplu model de locomotiva cu abur are in componenta un cazan incalzit prin arderea unui combustibil fosil (in general carbune). Vaporii de apa sub presiune sunt colectati si apoi dirijati spre piston. Presiunea exercitata pe suprafata pistonului determina miscarea bielei ce leaga pistonul de roata. Astfel miscarea liniara a pistonului se transforma in miscare circulara a rotii. Locomotivele secolului al XIX-lea foloseau abur saturat, iar primele locomotive cu abur supraincalzit au fost construite la inceputul anilor 1900. In momentul in care a fost descoperita aceasta noua tehnologie locomotivele aproape ca isi atingeau limitele maxime posibile cu abur saturat. Metoda uzuala pentru supraincalzire consta in directionarea aburului din cazan in elementii de supraincalzire (sub forma de tevi lungi). Acesti elementi erau si ei incalziti de foc si astfel temperatura aburului era ridicata cu 55 pana la 85 °C si in acest fel eficienta motorului crestea cu 10 – 15 %.

Locomotivele cu abur foloseau principiul preincalzirii apei ca o solutie care ajuta la marirea randamentului termic. In acest proces o parte din caldura care ar fi trebuit sa fie evacuata este recuperata si transferata apei ce urmeaza a fi incalzita in cazan. În acest fel se evita si socul termic care ar fi avut loc in cazan in momentul patrunderii apei reci. Acest sistem a fost introdus la locomotivele cu abur incepand cu anii 1920 iar cazanul Franco-Crosti este un bun exemplu in acest sens. Locomotivele cu abur consuma cantitati considerabile de apa si astfel aprovizionarea a fost permanent o problema de logistica. În zonele de desert a fost adoptata solutia condensarii aburului. Aceasta procedura era realizata de mecanismul de condensare prevazut cu niste radiatoare uriase unde se condensa aburul ce in mod normal urma sa fie evacuat pe cos, dupa care apa lichida era refolosita. Acest dispozitiv trebuia construit in asa fel incat uleiul de ungere sa fie eliminat din abur. Randamentul acestor masinarii era la vremea respectiva unul destul de bun si in practica randamentul unui cazan ajungea la 15%. Cea mai mare parte din energie este pierduta prin caldura evacuata si arderea incompleta. Mai mult, caldura generata prin frecare este neglijabila, cea mai multa caldura fiind disipata in procesul de ardere a combustibilului, prin peretii cutiei de foc, ai cazanului si prin cosul de fum.

Din cele invatate in timpul orelor de Turbine, Cazane cu Abur si alte obiecte interesante pe care le studiez la facultate, dar si din ce am citit pana acum despre istoria locomotivei cu abur, va ofer si voua cateva notiuni despre batranele locomotive cu abur care foloseau combustibili fosili si care au ajutat la imbunatatirea transportului.

Supraîncălzirea

Locomotivele secolului al XIX-lea foloseau abur saturat, iar primele locomotive cu abur supraîncălzit au fost construite la începutul anilor 1900. În momentul în care a fost descoperită această nouă tehnologie locomotivele aproape că își atingeau limitele maxime posibile cu abur saturat. Unii specialiști cum ar fi F.M. Swengel susțin că nicio altă inovație tehnologică nu a egalat tehnologia supraîncălzirii cu privire la înlăturarea limitărilor modelului de motor cu abur.

Metoda uzuală pentru supraîncalzire consta în direcționarea aburului din cazan în elemenții de supraîncălzire (sub formă de țevi lungi). Acești elemenți erau și ei încălziți de foc și astfel temperatura aburului era ridicată cu 55 până la 85 °C. În acest fel eficiența motorului creștea cu 10 - 15%.

Totuși, eficiența s-a dovedit a nu fi direct proporțională cu temperatura, ca urmare creșterea prea mare a temperaturii nu era utilă. În ultimii ani ai locomotivelor cu abur temperatura aburului varia în jur de 315 °C (600 °F) iar unele locomotive erau dotate cu termometru pentru controlul acestei temperaturi. Depășirea temperaturii de siguranță ducea câteodată la explozia cazanului și accidente grave.

Frânarea

Frânarea este realizată cu ajutorul unor saboți mari ce presează roțile motoare. Acest sistem necesită pompe acționate cu abur și care de obicei sunt montate în partea laterală a cazanului sau în fața camerei de fum.

Locomotivele cu abur sunt aproape întotdeauna prevăzute cu cutii de nisip. Din aceste cutii nisipul este trimis pe șine pentru a îmbunătății aderența și a face posibilă frânarea la timp în prezența precipitațiilor. Cutia cu nisip sau domul cu nisip este de obicei montat deasupra cazanului.

Randament

Cea mai mare parte din energie este pierdută prin căldura evacuată și arderea incompletă. Mai mult, căldura generată prin frecare este neglijabilă, cea mai multă căldură fiind disipată în procesul de ardere a combustibilului, prin pereții cutiei de foc, ai cazanului și prin coșul de fum. În practică motorul cu abur atingea un randament termic de maximum 10%. Acest procent se referă strict la energie dar trebuie ținut seama și de eficiența economică, ținând cont că combustibilul locomotivelor cu abur este mult mai ieftin decât combustibilul lichid (benzină, motorină, păcură). Astăzi câteva proiecte de locomotivă cu abur modernă se străduiesc să îmbunătățească randamentul: proiectul britanic 5AT se laudă cu un randament de 14%.

Performanțe

Astăzi locomotivele cu abur sunt considerate depășite tehnologic iar în comparație cu locomotivele moderne sunt mult mai puțin performante. Totuși, locomotivele cu abur construite în perioada interbelică ajungeau la performanțe impresionante. Un exemplu în acest sens este locomotiva 4468 Mallard care pe 3 iulie 1938 stabilește recordul de 201,2 km/h.

Pentru stabilirea performanței erau folosite două metode. Prima era o evaluare bazată pe parametrii termici și caracteristicile mecanice ale componentelor motorului, și anume: presiunea din cazan, diametrul pistonului, cursa pistonului și diametrul roții de tracțiune. Tracțiunea este dată de formula:,

unde

Ft este tracțiunea (forța de tracțiune)

c este o constantă care reprezintă scăderea în presiune de la cazan la cilindru și frecarea.

P este presiunea din cazan

d este diametrul pistonului

s este cursa pistonului

D este diametrul roții de tracțiune

O altă metodă consta în calcularea puterii efective. Pe lângă numeroase formule se folosea un vagon dotat cu instrumente de măsură ce era tractat pe durata testării și care înregistra diverși indicatori.

Componentele locomotivei cu abur: 

1. Focarul (în care arde focul); 2. Cenuşar (cutia cu cenuşă); 3.Cazan; 4. Cutie de fum; 5. Cabina mecanicului; 6. Tender (pentru cărbune şi apă); 7. Domul de abur; 8.Supapă de siguranţă; 9. Regulator; 10. Supraîncălzitor; 11. Piston; 12. Ţeava de evacuare a aburului;13. Mecanismul de distribuţie; 14. Pârghia fluturelui; 15. Cadrul locomotivei; 16. Boghiul posterior; 17.Boghiul anterior; 18. Suportul axului; 19. Suspensie cu arc de foi; 20. Sabotul frânei; 21. Pompă de aer;22. Tampon de cuplare; 23. Fluier acţionat de abur; 24. Domul cu nisip;

Evoluția

La început, locomotivele cu abur se deplasau cu o viteză comparabilă cu cea a unei trăsuri trasă de cai. Din această cauză erau folosite mai mult în industrie, la transportul în mine și uzine. Cu timpul însă, performanța creștea și s-a început construirea de căi ferate pentru transportul de călători. Astfel, Liverpool and Manchester Railway deschisă în 1825 a fost prima rută feroviară destinată transportului de pasageri. Pe această rută locomotiva The Rocket construită de inginerul George Stephenson a atins fabuloasa viteză de 48 km/h.

Dezvoltarea locomotivelor cu abur a luat avânt, iar până la sfârșitul secolului lumea civilizată era împânzită de căi ferate. Pe 10 mai 1893, locomotiva #999, a căii ferate New York Central & Hudson River a menținut o viteză medie de 165 km/h pe o distanță de 10 km și a atins viteza maximă de 180 km/h.

Punctul culminant în evoluția locomotivei cu abur poate fi considerat jumătatea secolului al XX-lea. Din acest moment a început înlocuirea intensivă a locomotivelor cu abur cu locomotivele diesel. În acel moment locomotivele cu abur deveniseră niște giganți pe căile ferate. Pe continentul Nord-American la data de 5 septembrie 1941 a fost livrată prima locomotivă din seria "Big Boy" a Union Pacific în orașul Omaha. Această locomotivă este considerată de mulți ca fiind cea mai mare și mai puternică: dezvolta o tracțiune de 602,18 kN.

Apusul locomotivei cu abur

Încă de la apariția primelor locomotive diesel-electrice, la începutul secolului XX, se întrevedea declinul puterii aburului. În Europa locomotivele cu abur au continuat să fie folosite până pe la jumătatea secolului, dar în alte țări au supraviețuit sfârșitului secolului. Astăzi majoritatea locomotivelor cu abur funcționale sunt folosite cu scopuri turistice. În România un exemplu bun în acest sens este "Mocănița", o locomotivă de cale ferată cu ecartament îngust (760 mm) mai este folosită astăzi în puține zone ale țării atrăgând turiștii.

Cauza principală a scoaterii din folosință a locomotivelor cu abur se pare că este costul de întreținere ridicat. Combustibilul ocupă mult spațiu, prin urmare este nevoie de mult spațiu de stocare: în general, tenderul pentru cărbune, rezervorul de apă și cazanul formează mai bine de 50% din corpul locomotivei. Masivitatea acestor locomotive contribuia la deteriorarea rapidă a căii ferate. De altfel orice reparație a locomotivei necesită o muncă laborioasă și mult timp. Timp mult se pierdea și cu pornirea locomotivei: de obicei câteva ore până ce apa din cazan era adusă la fierbere, iar înainte de "înnoptare" cutia de foc trebuia curățată de zgură și cenușă.

Fumul emis de locomotivele cu abur a constituit de asemenea un motiv pentru înlocuirea cu tehnologia diesel sau diesel-electrică.