Logo
Metrikon
Strojarka susreće parni stroj - Saznajte sve o parnoj lokomotivi
Strojevi

Strojarka susreće parni stroj - Saznajte sve o parnoj lokomotivi

  • Katarina Knafelj Jakovac

    28. studenoga 2023.

Parni strojevi su udarili temelj naglom razvoju mehaničkih dijelova i strojnih mehanizama te bili preteča brojnih sofisticiranih strojeva koje i danas koristimo.

Paralelno je krenuo razvoj željezničke i telegrafske mreže, što je dovelo do bržeg protoka informacija, ljudi i dobara te uzdiglo gospodarstvo i stvorilo nove vrijednosti kao nikada do tada u ljudskoj povijesti. Parni stroj je dao je veliki poticaj razvoju industrijske revolucije u Europi.

Zašto je nastao parni stroj?

Začetak ideje o uređaju koji koristi snagu vodene pare da bi zamijenio ljudski rad pripisuje se Haronu koji je konstruirao prvi primitivni stroj. Tijekom povijesti puno ljudi se bavilo razradom ove ideje a prvu zabilježenu uspješnu primjenu ostvario je Thomas Savery 1698 napravivši parnu pumpu.

Kada je izumljen parni stroj, onovremena proizvodnja dobara je uvelike funkcionirala po principu manufaktura i malih obiteljskih zanata. Glavna funkcija prvobitnih parnih strojeva bila je pokretati pumpe koje su ispumpavale vodu iz rudnika.

Rudarenje ugljena i raznih metala bilo je u 18. stoljeću enormno važna gospodarska grana u Velikoj Britaniji.

Parni stroj konstruirao je 1712. Thomas Newcomen za pokretanje pumpe za vodu u rudnicima ugljena.

Želio je iskoristiti pogonsku snagu stroja da zamijeni konje koji su se koristili za pokretanje primitivnih mehanizama pumpi vode u rudnicima. Konji su bili skupi a ugljen jeftin.

Newcomenov parni stroj je bio poprilično jednostavan i sastojao se od cilindra sa klipom. Na slici je prikazan presjek parnog stroja jednostavne konstrukcije.

 Parni stroj Thomasa Newcomena

Slika: Parni stroj Thomasa Newcomena (Izvor)

Atmosferski tlak bi pritisnuo klip prema dolje nakon što se vodena para kondenzirala u cilindru i stvorila vakuum. Tako dobivena snaga se prenosila dalje preko mehanizma

Za grijanje vode i nastanak pare koja će pokretati klip Newcomenovog parnog stroja također je bila potrebna velika količina ugljena.

Kako su rudnici postajali sve veći, trebalo je ispumpavati sve više vode. Newcomenov parni stroj svojim radnim kapacitetom tome nije bio dorastao.

Održavanje strojeva i opreme je u 18.stoljeću bio nepoznat pojam.

Voda je je u rudnicima stalno poplavljivala parni stroj bi tada prestajao sa radom što je dovodilo do obustave rudarenja.

James Watt je 1764. već bio poznat po svojoj vještini izrade i popravaka mehaničkih uređaja poput kompasa, vaga i kvadranta, malih mehaničkih igračaka i glazbenih instrumenata.

James Watt je također bio vrlo frustriran i nervozan što učestalo mora popravljati oštećene Newcomenove parne strojeve koje su mu donosili vlasnici rudnika u sjevernoj Engleskoj.

Nakon svakog popravka Newcomenog parnog stroja, kao svaki savjestan mehaničar, James Watt bi stroj pustio u probni rad da provjeri njegovu ispravnost.

Parni stroj bi jedva radio.

Kako je James Watt unaprijedio parni stroj

Iznimno nervozan što sav njegov trud oko popravka postojećeg parnog stroja rezultira smiješnim napretkom, James Watt je krenuo sa eksperimentima.

Pritom je otkrio da se ugrubo 75% toplinske energije troši na grijanje cilindra tijekom svakog radnog ciklusa.

Toplinska energija se trošila jer se kasnije u ciklusu ubrizgavala hladna voda da se kondenzira para kako bi se smanjio tlak.

Takvim uzastopnim grijanjem i hlađenjem cilindra parni stroj je imao nisku učinkovitost jer se većina toplinske energije trošila na grijanje umjesto da se pretvori u iskoristiv mehanički rad.

Shvatio je da najveći nedostatak Newcomovog parnog stroja čini količina izgubljene latentne topline do koje dolazi prilikom promjene agregatnog stanja vode iz tekuće faze u parnu fazu.

Zato se kondenzacija vode mora odvojiti od parne faze u zasebnu komoru koja je povezana sa parnim cilindrom. James Watt je nastojao poboljšati postojeći parni stroj i tako je dobio ideju da izradi odvojeni kondenzator. Dimenzija cilindra je bila 127 cm a visina čitavog stroja 7 m.

Parni stroj Jamesa Watta

Slika: Parni stroj Jamesa Watta (Izvor)

Zbog stalne prisutnosti od eksplozije parnog kotla koji je bio vrlo primitivno reguliran te česte pojave kvarova kao što je propuštanje i nastanak kamenca, James Watt je ograničio svoj stroj tako da radi samo upotrebom pare na atmosferskom tlaku.

Uz to je dodao i brojna druga poboljšanja: rotirajuće vratilo, ventil za regulaciju tlaka te regulator brzine vrtnje.

Dobio je patent 1769. ali nije se dalje trudio da svoj izum komercijalizira.

Sada na scenu stupa Matthew Boulton, bogati tvorničar i vlasnik tvornice za proizvodnju pribadača, kopči i jednostavnih alatki.

Strojeve u njegovoj tvornici pokretala je hidroenergija, što se pokazalo posebno problematičnim tijekom ljeta kada se količina vode u rijeci smanjivala.

Posljedično time, proizvodnja se morala prilagođavati količini raspoložive energije.

Matthew Boulton je shvatio da bi primjena parnog stroja za prepumpavanje vode ili za pokretanje strojeva omogućila potreban proizvodni kapacitet i kontinuirani rad.

James Watt i Matthew Boulton postali su poslovni partneri u zajedničkoj kompaniji, pri čemu je Watt bio zadužen za tehnički dio i razvoj parnog stroja a Boulton za financije.

Angažirali su majstora ljevača Johna Wilkinsona koji je bio vrlo uspješan u lijevanju topova da izradi parni cilindar. Jamesu Wattu je bilo jako važno da odljevak cilindra ne sadrži nečistoće niti poroznosti kako bi prijenos topline bio što bolji i kako bi se rizik od nastanka eksplozije sveo na minimum.

Stroj je bio 4 puta snažniji u usporedbi sa Newcomenovim.

Kompanija je kupovala strojne dijelove od brojnih dobavljača i potom su djelatnici sastavljali parne strojeve pod nadzorom inženjera.

Profit je ostvaren temeljem razlike od skoro 30% u količini ugljena koju je koristio manje efikasan Newcomen parni stroj u usporedbi sa efikasnijim Wattovim parnim strojem.

Kupci parnih strojeva su bili vlasnici rudnika u kojima je trebalo stalno ispumpavati vodu te vlasnici tvornica za proizvodnju tekstila.

Svestranost primjene parnog stroja se pokazala toliko velikom da ga je Matthew Boulton kasnije iskoristio za pokretanje strojeva za kovanje novčića.

U Velikoj Britaniji je u periodu 1783-1800 proizvedeno i koristilo se preko 500 parnih strojeva.

Funkcioniranje parne lokomotive i glavni dijelovi

William Murdoch zaposlenik je bio Watt-Boulton kompanije, zadužen za ugrađivanje i popravljanje parnih strojeva u tvornicama i rudnicima kupaca.

Neprestano radeći na mehanizmima parnih strojeva napravio je određena poboljšanja koja su toliko oduševila Jamesa Watta i Matthewa Boultona da su ga uzeli za trećeg partnera u kompaniji.

William Murdoch je došao na ideju da parni stroj koristi za transport i tako je izradio prototip prve parne lokomotive. Kasnije su brojni drugi unaprijedili i razradili ovaj izum.

Tijekom 19.stoljeća parni stroj se uvelike koristio za pogon lokomotiva kojima su vlakovi počeli prevoziti teret i putnike na veće udaljenosti.

Iako su danas parne lokomotive muzejski primjerci, još uvijek nas mogu naučiti i podsjetiti osnovama strojarskih konstrukcija i termodinamike.

Prilikom posjete tehničkom muzeju vidjela sam i proučila jedan od najvećih izložaka, parnu lokomotivu s otvorenim parnim kotlom zbog uklonjene oplate i otvorenih cilindara te pomoćnih sustava.

Radi se o pruskoj lokomotivi model S 10 koja se proizvodila u razdoblju između 1910. i 1914. kada su izradili ukupno 202 lokomotive. Na sljedećoj slici vidi se lokomotiva model S kojoj je uklonjena vanjska oplata.

Screenshot 2024-02-03 at 20.08.35.png

Slika: Parna lokomotiva kojoj je uklonjena oplata, poprečni presjek parnog stroja (Izvor: Arhiva autorice)

Ispod oplate odnosno čeličnog cilindričnog plašta vidi se poprečni presjek parnog kotla i cijevi, parnog cilindra s klipom, prednjeg dijela kotla za dimne plinove te prijenosnog mehanizma.

Na idućoj slici vidi se lokomotiva s druge strane pri čemu je oplata parnog kotla čitava, te dio pogonskog mehanizma spojenog sa 3 para pogonjenih kotača.

Parna lokomotiva sa cjelovitom oplatom

Slika: Parna lokomotiva sa cjelovitom oplatom (Izvor: Arhiva autorice)

Parna lokomotiva model P8 proizvedena je 1919. za pokretanje teretnih i ekspres putničkih vlakove se koristila do 1970-tih.

Na sljedećoj slici je otvorena portela ili poklopac lokomotive modela P8.

Vidljiva je prednja strana kotla dimnih plinova u kojem su cijevi izmjenjivača topline.

Prednja strana lokomotive

Slika: Prednja strana lokomotive (Izvor: Arhiva autorice)

Tijekom proteklih 200 godina princip rada parnog stroja i pretvorbe energije za pokretanje željezničkih lokomotiva se nije mijenjao iako je sama konstrukcija lokomotiva doživjela brojne izmjene.

Svaka parna lokomotiva se u osnovi sastoji iz 2 dijela: parnog kotla (ložište, cijevi, predgrijač, ventili) i pogonskog stroja (cilindri s klipovima, klipnjače, prijenosni mehanizam, kotači).

Na slici prikazan je pojednostavljeni poprečni presjek lokomotive i glavni dijelovi.

Osnovno djelovanje svake parne lokomotive je da para pod tlakom od 14 bar do 22 bar ulazi u prostor cilindra s klipom, ekspandira i odgurava klip.

steam-engine.webp

Slika: Dijelovi parne lokomotive (Izvor)

Klip povezan s klipnjačom prenosi translacijsko gibanje na križnu glavu pogonskog mehanizma spojenu s pogonskim kotačima.

Tako dolazi do prijenosa translacijskog gibanja u rotacijsko tj. dolazi do pokretanja kotača i gibanja lokomotive.

Para ekspandira u cilindru sve dok ne dostigne atmosferski tlak.

Na dnu ložišta parnog kotla nalazi se rešetka gdje dolazi do izgaranja goriva. Nastaju topli plinovi izgaranja koji odlaze prema gornjem dijelu ložišta tj. u komoru izgaranja.

Ložišta u kojima izgara ugljen imaju tave na dnu u koje odlazi nastali pepeo tako što se pomoću poluge protrese rešetka.

Dimni plinovi napuštaju komoru izgaranja uz turbulentno strujanje kroz sustav cijevi u kotlu ispunjenom vodom.

Toplina dimnih plinova zagrijava vodu sve do isparavanja.

Nastaje para koja se pod tlakom uzdiže prema kupoli i odatle odlazi prema parnim cilindrima sustavom paralelno položenih cijevi.

Količina pare se regulira pomoću regulacionog ventila smještenog u kupoli.

Drugi sustav cijevi prenosi paru do pregrijača gdje se para dodatno zagrijava na višu temperaturu prije odlaska u parne cilindre.

Korištenje pregrijane pare u usporedbi sa suhozasićenom parom povećava učinkovitost rada parne lokomotive za 25% do 30% (prisjetite se Mollierovog h-s dijagrama za vodenu paru).

Kada malo detaljnije promotrimo samo kotao sa cijevima, podsjeća li vas na preteču današnjih suvremenih cijevnih izmjenjivača topline?

Nadalje, kotao parne lokomotive je zapravo posuda pod tlakom čiji rad treba pažljivo regulirati.

Sigurnosni ventili su konstruirani i podešeni tako da automatski otvaraju i ispuštaju paru ako tlak u parnom kotlu prijeđe dozvoljenu granicu.

Prostor iznad ložišta mora cijelo vrijeme biti ispunjen vodom. Ako razina vode padne ispod visine vrha ložišta (desna strana slike), dolazi do pregrijavanja kotla i povećava se rizik nastanka eksplozije kotla.

Mjerači razine vode ili nivokazna stakla se postavljaju za praćenje razine vode.

Para prolazi kroz parne cijevi i ulazi u parne cilindre gdje se događa ekspanzija i pomicanje klipova.

Kada je para predala energiju i postigla koristan rad pokrećući klipove, sustav ventila propušta pothlađenu paru nižeg tlaka kroz ispušnu cijev smještenu u kotlu ispunjenom dimnim plinovima.

Gibanje kotača lokomotive nastaje kao posljedica prijenosa gibanja klipova preko stapajice i križne glave, gibanje pogonskog mehanizma se kontrolira polugom smještenom u kabini strojovođe u stražnjem dijelu lokomotive.

Preko iste poluge se upravlja smjerom kretanja lokomotive te ubrzanjem ili usporenjem kretanja.

Jednom kada je para pokrenula klip do kraja cilindra, sustav stapajice, klipnjače i spojne osovine kotača pretvara translacijsko gibanje klipa (naprijed-natrag) u kružno okretanje kotača.

Protuutezi ili kontra utezi postavljeni na suprotnim krajevima spoja osovine i kotača omogućavaju održavanje ravnotežnog položaja tijekom kretanja.

Prvobitne lokomotive su imale po 1 par pogonjenih kotača, tek kasnije su razvijeni kompleksniji mehanizmi sa većim brojem kotača pri čemu je najveći broj kotača pogonjenih iz pojedinačnog sklopa cilindara bio šest (6) para.

Zbog velikog promjera i potrebe za fleksibilnošću kretanja, brojne lokomotive su imale po 2 parna stroja i po 2 seta pogonjenih kotača.

Raspored, broj i konstrukcija kotača i pogonskog mehanizma ovisili su o namjeni lokomotive.

Nakon što para preda energiju u cilindrima, izlazi kroz ispušnu cijev i miješa se s dimnim plinovima.

Pritom nastaje propuh koji dodatno povlači dimne plinove kroz cijevi u prednji dio kotla.

Svježi zrak ulazi u ložište kroz otvore ili portele na prednjoj i donjoj strani ložišta.

Pomiješana ispušna para i dimni plinovi izlaze kroz dimnjak uz brzo, turbulentno strujanje.

Strujanje nastale mješavine ulazi u cijev dimnjaka i pritom dolazi do naglog smanjenja brzine, pri čemu nastaje poznati zvuk lokomotive.

Budući da količina ispušnog plina ovisi o potrošenoj pari koja napušta cilindre, mora se predvidjeti ispuh vrućih plinova ili dima kada strojovođa zatvori ventil.

Za ovu svrhu služi skupina malih mlaznica tkz. propuhača za usmjeravanje pare, smještenih u prednjem dijelu kotla dimnih plinova.

U kotlu dimnih plinova se također sakupljaju djelomično izgorjele čestice ugljena koje su došle iz ložišta u smjesi dimnih plinova.

Kada se nakupi količina čestica dovoljna da ometa strujanje plinova, tada započinje vrtloženje čestica i njihovo izbacivanje u obliku ugaraka kroz dimnjak zajedno sa smjesom pare i dimnih plinova.

Koji dijelovi parne lokomotive su najviše podložni kvarovima?

Parni kotao može eksplodirati ako para prijeđe maksimalno dozvoljeni tlak.

Parni kotlovi su se spajali zakovicama do otkrića zavarivanja i masovne primjene u spajanju metalnih materijala.

Spojevi izvedeni zakovicama imaju manju čvrstoću u odnosu na kvalitetno izvedene zavare, stoga je porastom tlaka pare raslo opterećenje zakovičastih spojeva.

Osim toga, tlačne probe kao način ispitivanja posuda pod tlakom ušle su u masovnu primjenu tek u 20. stoljeću pa je upitno koliko su prvobitni parni kotlovi bili ispitivani i provjeravani prije puštanja u rad.

Požari u ložištu su još jedna od potencijalnih opasnosti, kad bi došlo do pregrijavanja i manjka vode u prostoru iznad ložišta.

Prvobitne lokomotive nisu imale nikakve protupožarne sustave.

Lomovi dijelova prijenosnog mehanizma bi se javili uslijed nekvalitetne proizvodnje ili nekvalitetnog materijala izrade prijenosne osovine, križne glave, klipnjače ili stapajice.

Pucanje cijevi kroz koje prolaze dimni plinovi se javljalo kao posljedica zamora materijala cijevi ili zbog učestalog prisustva plinova previsoke temperature.

Otkazivanje sigurnosnih ventila ili gubitak funkcionalnosti je još jedan od potencijalnih kvarova, s obzirom da u ono vrijeme nisu postojale zakonske regulative redovitog servisa i ispitivanja sigurnosnih ventila.

Ostali potencijalni problemi u radu lokomotiva s kojima su se susretali strojovođe su: smanjena učinkovitost izgaranja zbog ugljena loše kvalitete te lošija iskoristivost, veliki mehanički gubici, toplinski gubici uslijed nedovoljnog iskorištavanja pare, nedovoljno pregrijavanje pare, previše krute ili popucale opruge, propuštanje vode iz parnog kotla, začepljenje parnih cijevi te smanjeni prijenos topline zbog naslaga kamenca na površinama cijevi.

Zaključak

Izum parnog stroja revolucionaran je za industrijsku proizvodnju i doveo do temeljitih promjena u svim sferama društva.

Parna lokomotiva je sjajan praktičan primjer kako je parni stroj unaprijedio i razvio transport ljudi i tereta, a brojni strojni mehanizmi našli su primjenu u različitim industrijskim granama.

Velika Britanija je odala počast dvojici svojih velikana Wattu i Boultonu koji su udarili temelje moderne industrije, prikazavši njihove portrete na poleđini novčanice od 50 funti (50 £).

Matthew-Boulton-and-James-010.png

Slika: Poleđina novčanice od 50 funti sa portretima Matthewa Boultona i Jamesa Watta (Izvor)

Ispod njihovih portreta stoje citati:

Gospodine, ja ovdje prodajem ono što čitav svijet želi imati – SNAGU (Boulton, na lijevoj strani) Ne mogu razmišljati ni o čemu drugome osim ovog STROJA (Watt, na desnoj strani)

Mjerna jedinica SI sustava za snagu je u čast Jamesu Wattu dobila naziv Watt i definira se kao omjer rada od 1 Joula koji se obavi u 1 sekundi. Ekvivalent je 1/746 konjske snage (hp) za određivanje mehaničke i električne snage.

Katarina Knafelj Jakovac
Katarina Knafelj Jakovac social media icon
28. studenoga 2023.

Katarina Knafelj Jakovac je inženjerka strojarstva sa dugogodišnjim radnim iskustvom u naftnoj industriji. Certificirani lider za pouzdanost opreme specijalizirana za strojarsku opremu i operativnu izvrsnost. Autorica je bloga Strojarska Radionica gdje dijeli profesionalno znanje i osobno iskustvo u održavanju različitih rotacijskih strojeva, strojnih sustava i procesne opreme. Obožava mehaniku, nauku o toplini i motore sa unutarnjim izgaranjem. Posvećena je kontinuiranom unaprjeđenju održavanja strojeva i kvalitetnog gospodarenja fizičkom imovinom.