Tetelil se vzduch letní kdesi u Turnova a válet se na prosluněné mezi na hraně remízku bylo milo. To písknutí v dálce nebylo možno přeslechnout. Se zpožděním dolehl jako šepot zvuk výfuků parní mašiny, kužel dýmu hnaného výfukovou parou bylo na kilometry vidět dřív. Zvuk výfuků sílil a zrychloval a sléval se, jak s rostoucími otáčkami kol přestalo být možno jednotlivé výfuky počítat. Čtyři rány do výfuku na jednu otočku hnacích náprav. S rostoucí rychlostí se zvuk sléval v hukot. A tu zvuk zcela zmizel, jak vlak klikatá trať zavedla za terénní vlnu, či les, opět se štěkot stroje nabírajícího rychlost před stoupáním ozval, aby zase zmizel. A po krátké chvíli ticha objevil se vlak v nedalekém zářezu. Hlasitě štěkající Všudybylka statečně táhla čtyři papíráky osmidveřáky proti stoupání a už začínala mít dost. S každým metrem, každou otáčkou náprav klesala rychlost a výfuky byly pomalejší, hlasitější a naléhavější. Sousední chalupářka, hlavu v dlaních, lkala, že jestli se otočí vítr, bude mít zase prádlo plné sazí. Vítr byl milosrdný, strojní četa svůj stroj dobře vedla, rychlost a výfuky se ustálily a najednou ticho – za vrcholem stoupání fíra zavřel regulátor a bylo slyšet jen odvalování kol po kolejnicích a jejich klapání na spojích. Na tato představení se nevybíralo vstupné, na tato představení se nevyvěšovaly plakáty. Na tato představení si člověk jen musel udělat čas, mít trpělivost a umět naslouchat, vnímat i vůni kouře smíšeného s výfukovou parou nasáklou strojním olejem z válců. Kdy to bylo? Už nevím, ale Těšnov byl ještě v provozu.

Proč

Původně to by jen takový okamžitý nápad – pro pár parních bláznů hodit do tabulky vybrané parametry některých kotlů strojů DR a ČSD a nad tím moudře diskutovat. Stejně – ti machři, co to vymysleli, zkonstruovali, asi už nejsou mezi námi – tak jen taková vzpomínka na zašlou slávu. Zašlou?

A k tomu v dobrém ozval se hlas kritický – neblbni – těm pojmům už dneska nikdo nerozumí, nezná je. Vy se tu zasvěceně bavíte o něčem, co většina čtenářů v provozu nezažila, odborná literatura nová skoro není a na netu informací poskrovnu. Pochlap se, nachytři. Proč já? Jsem elektrikář, ne strojař! Tak s chutí do toho a půl je hotovo. Bez rovnic a odborných definic – ty si račte dohledat v odborné literatuře, v učebnicích. Nicméně předpokládám alespoň nejelementárnější základy fyziky a mechaniky, jako kolo na hřídeli, páka a obdobné. Takové povídání o parních mašinkách.

Bylo nebylo – aneb jak to vzniklo

Základem je uvařit vodu, udělat páru, tu vhodně lapit a řízeně připouštět do válců, rozdělovat před píst a za píst a odvádět pryč. A hele! Ono se to hýbe! Ono to koná práci. Vpřed a vzad a stále dokola. Jenže – ouha – sem-tam, sem-tam, ale my potřebujeme otočit kolem. Čili převést pohyb posuvný na rotační. A to nám umožní křížák a ojnice. Strojní součást pevně, avšak rozebíratelně spojená s pístní tyčí (též pístnice). Aby se křížák hýbal jen žádoucím směrem, totožným s pohybem pístu a pístní tyče, je veden (kluzně uložen) pravítky – nosníky, v nichž klouže sem a tam. V křížáku je ložisko pro čep společný s ojnicí. Ojnice v tomto uložení koná pohyb shodně s křížákem, a kýve se na společném čepu; její druhý konec však je umístěn na ojničním čepu hnací nápravy, který je vyosen vzhledem k ose nápravy. Tak působí ojnice jako páka, přenáší sílu, pohyb a roztáčí nápravu. Druhý konec ojnice tak vykonává pohyb kruhový. Kdyby byl válec jen jeden, bylo by působení na páce kvůli její měnící se poloze po kružnici velmi nerovnoměrné a to přesto, že parní stroj (na pístnici) má konstantní průběh momentu. Proto se užívají válce nejméně dva. (Například dvojčitý stroj.) Ojniční čepy na opačných stranách hnací (hnané) nápravy jsou pak přesazeny o 90 stupňů. Píst každého válce projde za jednu otočku hnací nápravy oběma krajními polohami ve válci – z toho plynou u dvojčitého parního stroje čtyři výfuky páry za otočku.

Dělat oheň, vařit vodu, lapat páru

Oheň, rošt, skříňový kotel

Oheň hoří na roštu v topeništi. Rošt umožňuje mezi roštnicemi propadání popela do popelníku a zároveň přístup vzduchu nezbytného pro hoření. Rošt má některá pole sklopná – pro odstranění popela, v horším případě spečeniny – škváry. Moderní rošty mají některá roštní pole natřásací (Houlson). Topeniště je obklopeno vnitřními stěnami skříňového kotle, dole uzavřeného nožním rámem, který je kluzně uložen na rámu lokomotivy (kvůli tepelné roztažnosti kotle). Kovové (dříve měděné, nověji ocelové) stěny kotle však nesmí být vystaveny přímému působení plamenů. Proto je po stranách topeniště vyzdívka a nad topeništěm vyzděná klenba ze žáruvzdorných šamotových cihel. Za tuto klenbu, směrem ke stropu topeniště (rovněž vnitřní stěna skříňového kotle), směrem k trubkovnici, prostupují jen horké plyny ze spalného procesu (hoření). V tomto prostoru dochází k největšímu vývinu, prostupu a sdílení tepla, který vede k nejintenzivnějšímu varu vody. Vnitřní plocha skříňového kotle, resp. plocha obklopující topeniště se nazývá přímá výhřevná plocha. Mezi vnitřní a vnější stěnou skříňového kotle jsou kotelní rozpěrky – speciální duté šrouby s konci zalitými olovem (olovník). Dále zadními stěnami skříňového kotle prostupuje topný otvor s dvířky topeniště a připojovací body armatur vodoznaků. Přední část skříňového kotle je uzavřena trubkovnicí a přechází v ležatý kotel.

Ležatý kotel, parojem, přehřívák

Ležatý kotel, většinou válcového tvaru, je spojen (snýtován, nověji svařen) z několika kotelních kroužků a na obou stranách je uzavřen trubkovnicemi. Do otvorů v trubkovnicích jsou zaválcovány žárové trubky, jimiž prostupují horké kouřové plyny vpřed do dýmnice, která bezprostředně navazuje na ležatý kotel. Plocha žárových trubek tvoří nepřímou výhřevnou plochu kotle.Prostor kolem trubek a spojitě nad vnitřní stěnou skříňového kotle – která je zároveň stropem topeniště, (logicky i mezi bočními a zadními stěnami) je naplněn vodou. Nad hladinou vody vytváří se pára, zaplňuje zbylý prostor (parní prostor) a jímá se v parojemu – nejvyšší bod parního prostoru. Stálá dodávka tepla zvyšuje teplotu a tlak páry v uzavřeném prostoru až na provozní tlak. Stále však jde o páru nasycenou, mokrou. Pára z parojemu přes regulátor prostupuje do skříně přehřívacích článků umístěné v horní části dýmnice při trubkovnici. Odtud – na principu dalšího tepelného výměníku – jsou napojeny přehřívací články – dlouhé trubky ohnuté do tvaru velmi štíhlého „U“ a ohybem napřed vsunuté do žárových trubek. Těmito přehřívačovými trubkami proudí nasycená pára a přehřívá se na teplotu 350 i více stupňů. Tím dostává schopnost účinněji konat práci, zejména i expanzní. Přehřátá pára postupuje potrubím do šoupátkových komor válců a odtud přepouštěcími kanály do válce, k pístu, kde expanduje = pohne pístem.

Dýmnice, dyšna, výfuk

Dýmnice je prostorem, kde se stýkají kouřové plyny a výfuky páry která vykonala práci ve válcích. Z jedné strany je dýmnice uzavřena přední trubkovnicí válcového kotle, ze strany druhé dýmničními dveřmi. Dýmnice je pevně spojena s blokem válců a rámem – jediný pevný spoj kotle s rámem. Pro dosažení vhodného tahu v kotli, pro dobré hoření, vývin tepla a páry, využívá se výfuková pára. Ta proudí z válců vhodně tvarovaným dýzami (tryskami) do dyšny umístěné pod komínem. Prouděním dyšnou výfuková pára strhává s sebou kouřové plyny a společně, často s razantním zvukovým efektem, proudí tato směs plynů komínem do volného prostoru. Přitom v dýmnici vzniká vůči okolnímu prostředí podtlak podporující proudění vzduchu roštnicemi do topeniště a po hoření i kouřových plynů kotlem. Při zavřeném regulátoru používá se pomocná dmychavka, (někdy též blafoun, fukač nebo syčák), kterou se do dyšny přivádí ostrá pára z kotle k vyvolání tahu. Nutno použít při manipulaci s dvířky topeniště, aby se předešlo zášlehu ohně do boudy. Soustava sít dále v dýmnici zachycuje značnou část nespálených a nespalných polétavých zbytků po hoření – sazí. Proto je třeba dýmnici, obdobně jako popelník, pravidelně čistit.

Nadlepšení

K zvětšení přímé výhřevné plochy byly do prostoru skříňového kotle na topeništěm, pod stropem, umísťovány varné trubky a dále byla posunuta zadní trubkovnice směrem vpřed – čímž vznikl prostor – spalovací komora. Největší účinnost při vývinu podtlaku v dýmnici vykazovala dyšna KylChap, vyvinutá strojvůdcem Kylälä (Finsko) a inženýrem Chapelonem (Francie).

Řídit výkon, rozdělovat páru

Výkon parního stroje řídí strojvůdce dvěma navzájem souvisejícími způsoby. Ovládáním regulátoru (množství páry) a nastavením rozvodu páry (plnění válců – tedy doba, po kterou šoupátka otevřou přepouštěcí kanály do válců před, resp. za píst – vnitřní rozvod). Pára je schopná expandovat, proto nedochází zpravidla nikdy k plnému plnění. Naopak, při vyšších rychlostech je plnění válců menší (otevřeny kratší dobu) a menší množství páry více expanduje. Regulátor, umístěný v parojemu nebo jeho blízkosti, se ovládá u strojů ČSD zpravidla táhlem vně kotle, u strojů DR hřídelí uvnitř kotle. Poloha páky regulátoru vpředu je zpravila zavřeno. Rozvod páry se nastavuje buď vřetenem, nebo pomocí pneumatického servomotoru. Nastavením rozvodu určí se poloha kamene v (zakřivené), kyvně uložené kulise rozvodu. Pohyb kulisy a následně i pohonu šoupátek odvozuje se od pohybu křížáku a protikliky na ojničním čepu přesnou soustavou pák – tyčoví rozvodu páry, též vnější rozvod.

Napájení vodou a bezpečnost.

K napájení kotle vodou je třeba vodu dopravit z tendru – vodní vany, a překonat tlak páry v kotli. Dříve se používala napájecí pístová čerpadla (u DR strojů stále), u ČSD přednostně sací i nesací injektory (Friedmann) na výfukovou i ostrou páru. Proud páry strhává s sebou napájecí vodu, smísí se s ní – tím ji i předehřívá a žene ji vysokou rychlostí přes vstupní armaturu do kotle (též napájecí hlava – pustí dovnitř, ne však ven). Rychlost se získá vhodným tvarováním trysek – dýz v injektoru.

Sledování hladiny vody v kotli je nejdůležitější nutnost pro bezpečný provoz parní lokomotivy. Strop topeniště musí být s patřičnou rezervou vždy zaplaven. Jinak by v důsledku nepřiměřeného tepelného namáhání stropu topeniště mohlo dojít k vytavení olovníku, nevratným strukturální a pevnostním změnám skříňového kotle a k jeho explozi. Ke sledování hladiny slouží vodoznaky – povinně dva – na zadní straně skříňového kotle. Dále je kotel vybaven dvěma pojišťovacími ventily (u ČSD typ Pop-Coale), které bývají umístěny na parojemu, u novějších strojů na skříňovém kotli.

Kdo maže, ten jede

Mazání strojních součástí – ložisek a kluzných ploch je nezbytnou nutností, které je třeba věnovat průběžnou péči, Zejména u parních lokomotiv, kdy většina ložisek je kluzných – na nápravách, ojnici a spojnicích, tyčoví rozvodu, pravítkách křížáku, ale i ložiskových domcích, otočných čepech podvozků, běhounu a tak dále. Zvláštní pozornost je nutno věnovat parnímu stroji jehož kluzné součásti musí být průběžně mazány (prostřednictvím mazacích lisů) strojním olejem schopným snášet vysoké teploty.

Další zařízení

Pouze výčet, s připomínkou, že jsou hnána samostatným malým parním strojem – kompresor, případně i dva, na doplňování stlačeného vzduch brzdové soustavy stroje i vlaku, u moderních strojů k ovládání pomocných pohonů (servo), turbodynamo pro elektrické osvětlení, mechanický přikladač s parním strojem na stroji nebo tendru, písečníky, odkalovače. Nezbytností jsou hrábla a háky pro kucení ohně v klidovém stavu uložené v trubce v tendru.

Personál a péče o stroj

U strojvedoucího se vyžadovalo krom zdravotní způsobilosti vyučení ve strojním, zámečnickém oboru, praxe topiče. Stroj byl do péče často strojní četě přidělen. K denním úkonům (po směně) patřilo čištění stroje, vyčištění popelníku, dýmnice, doplnění maziv, promazání a doplňování vody průběžně i při nácestných zastávkách během směny. Drobné opravy, přetěsnění, kontrola a utažení rozebíratelných spojů – prováděny průběžně, nebo v depu – a to včetně opravy – vylévání ložisek tyčoví. V pravidelných intervalech prováděno vymývání kotle od usazenin (kamenec). Při pravidelných prohlídkách a opravách v dílnách strojvůdce často stroj doprovázel a na prohlídce či opravě se podílel. Provozní stroje byly mimo výkon udržovány v teplém stavu, prováděli předtápěči v depu. Stroj ze studeného stavu do výkonu se roztápěl 6 až 8 hodin – pro pozvolné prohřátí a tepelnou dilataci materiálu.

Závěr a poděkování

Pokusil jsem se popsat trochu lidskými slovy parní mašinku pro ty, kteří ji v provozu nezažili. Nebo neměli možnost si o ní přečíst v odborné literatuře i laikům formulačně dostupné. A trošku jsem chtěl složit hold těm, kdo ty mašinky vymýšleli, konstruovali a vyráběli, s tužkou, kružítkem a logaritmickým pravítkem, bez kalkulaček a počítačů, bez animace a simulace jakýchkoliv stavů. Čisté, krásné mechanické inženýrství.

A velmi děkuji pánům D. Švestkovi a R. Papežovi za odborné konzultace a pomoc při zpracování, mimořádný dík pak paní Lence Kopečné za oponenturu v průběhu prací.

Autorský text.

Zdroj: Wikimedia Commons