hirdetés
hirdetés

Művelt Mérnök

High-tech gőzmozdonyok – gőzvontatás napjainkban

Képzeljük el, milyen lehetett az élet száz éve egy gőzmozdony vezetőállásán! Hangos volt, huzatos, kényelmetlen, nem (vagy alig) lehetett leülni, ráadásul ketten-hárman osztoztak a kis helyen, mert legalább ennyi ember kellett a mozdony vezetéséhez és az „etetéséhez”. A mozdonyvezető és a fűtő az egyik pillanatban megfagyott a hidegtől, a másikban pedig majdnem megsült a kinyitott tűztérajtón keresztül kicsapó lángok által okozott forróságban.

hirdetés

És most képzeljük el az életet egy olyan mozdony vezetőállásán, amelyen a gépet egyedül irányító mozdonyvezető csak akkor találkozik tűzzel és hamuval, ha netán rágyújt szolgálat közben, a fűtött vagy légkondicionált helyiségbe beszűrődő zaj pedig alig hangosabb a meghajtást vezérlő számítógépeknél. Ez már jobban hangzik, igaz? Pedig most is egy gőzmozdonyban ülünk.

 

1973-ban és ’79-ben beköszöntöttek az olajválságok. Hatásukra az addig nagyon olcsó, dízelmozdonyok üzemanyagaként használt gázolaj ára a többszörösére emelkedett, és noha a válság miatt az áremelkedés a szenet sem kerülte el, utóbbinál a drágulás nem volt olyan jelentős, mint az olaj esetében. 1979-ben – a válság tetőpontján – 1 tonna szén 2014-es árakra átszámítva 75 dollárba került, míg ugyanennyi olaj több mint 700-ba! Noha az olaj tömegre vetített fajlagos energiatartalma kétszerese a szénének, az azt felhasználó dízelmotorok hatásfoka pedig még többszöröse a gőzgépekének, ekkora különbséget még ezek az előnyök sem tudtak elfedni. Gazdaságilag újra megérte gőzösöket üzemeltetni.

 

A szén (fent) és az olaj (lent) árának változása az inflációt is beleszámítva (sárga diagramok). A szén maximális ára 1979-ben – a 2. olajválság tetőzésekor – 75 dollár volt tonnánként (a szenet az ún. „short ton”-ban mérik, ami 907 kg) ez 12,1 $/MWh fajlagos költséget jelent energiaegységre vetítve. Az olaj 105 dolláros hordónkénti ára (1 hordó = 159 liter = kb. 140 kg) 62 dollárt jelent 1 MWh-ra számítva, azaz a szénből származó energia 5-ször olcsóbb volt az olajénál ezekben az időkben. 2014-ben egy tonna szén 60-65, míg egy hordó olaj újból 100-110 dollárba kerül, így ez az arány újból az olajválság-kori viszonyokat idézi.

 

Látva a nem túl rózsás helyzetet, néhány szakember komolyan elkezdett gondolkozni azon, mit kellene tenni, ha egyszer csak nem lesz pénzük a vasúttársaságoknak megtankolni a dízelmozdonyaikat. Voltak ezek között a szakemberek között olyanok is, akik a vasutakon az éppen akkoriban „kihaló” gőzmozdonyok feltámasztását tekintették ez egyik legegyszerűbb és legkézenfekvőbb megoldásnak.

Vonatkoztassunk el egy percre attól a ténytől, hogy sok országban – köztük Magyarországon is – a 70-es évek végére még nem is végeztek a gőzvontatás felszámolásával (nálunk erre 1984-ig kellett várni). Itt nem a régi gőzmozdonyok felújításáról vagy némi korszerűsítésről volt szó, hanem igazi „hi-tech” gőzmozdonyokról, amelyek modern kondenzációs, számítógép-vezérelt, automata kazánokkal, szén, gáz-, olaj- vagy biomassza tüzeléssel épültek volna meg, és úgy általában semmiben nem különböztek volna kinézetre egy akkori dízelmozdonytól. Ez mindjárt érdekesebb, igaz?

A gőzmozdonyok hátrányai

A gőz erejének mintegy 100 évig nemigen akadt párja a világon, de a múlt század elején megjelenő, majd a 20-as, 30-as években elterjedő dízelekkel és villanymozdonyokkal szemben már nem tudta tartani a versenyt. A gőzmozdony ugyanis a modernebb meghajtásokhoz képest hatalmas energiapocsékoló, már a kéményéből kicsapó vastag fekete füst is elárulja, mekkora energia megy veszendőbe a működése során.

Az első gőzösök szörnyű, 2-3 %-os hatásfokát az idők során sikerült ugyan növelni, de még a legkorszerűbb, 1960-ban épült, 25 bar kazánnyomású, túlhevítővel, kompaund berendezéssel és tápvíz-előmelegítővel ellátott gőzmozdonyok esetén sem haladta meg a 12-13 %-ot, ennek megfelelően az eredő hatásfok 6-8 %, de mindenképpen 10 % alatti érték maradt. Ez lényegesen rosszabb, mint más vontatási nemeké, de a gőzmozdonyok sorsát az üzemanyagukként használt szén árának emelkedése is megpecsételte.

További hátrányuk volt, hogy működésükből kifolyólag – a csatlórudak, dugattyúk, vezérművek alternáló mozgása által okozott visszafogó tömegerők miatt – nem voltak képesek igazán nagy sebességeket elérni (202 km/h a máig érvényes gőzös-sebességrekord). A II. világháború után a fejlett országok vasúttársaságai igyekeztek lecserélni őket, nemcsak a kényelmetlen és a korhoz már nem illő üzemeltetés, hanem az abban az időben elterjedő saját tulajdonú autók megjelenése miatt sem engedhették meg a nagyfogyasztású gőzösök üzemeltetését.

 

A gőzmozdonyok termális hatásfokának növekedése az idők során. Az eredő hatásfokok ennél pár %-kal még rosszabbak. A valamivel 9 % felett behúzott vízszintes egyenes a megvalósult, sorozatgyártást is megélt legnagyobb hatásfokú gépeket jelöli. Efölött csak tervek, elméleti hatásfokok találhatók. A legnagyobb érték (16 % körül) a dél-afrikai vasutaknál szolgált „Red Devil” nevű gőzmozdony elméleti hatásfokát jelöli, amelyet a gyakorlatban sose sikerült hozni (a mozdony viszont megvalósult, 2003-ig közlekedett). A diagramon látható „242 Big Boy” nem azonos az Union Paicifc hasonló becenevű óriásmozdonyával.

A vasútgépészek és mérnökök egy csoportja szerint azonban a klasszikus gőzgépek a mai modern technológiákkal „összeházasítva” a dízelekkel és a villamos gépekkel összemérhető eredményeket tudnának produkálni, ezért nem egy, jelenleg is futó-, a gőzmozdonyokat feltámasztani hivatott mozdonyépítési projektről tudunk, illetve az elmúlt évtizedekben is feljegyeztek ilyeneket. Ebben a cikkben a talán legkomolyabb ilyen tervvel, az amerikai Chesapeake& Ohio vasúttársaság ACE-3000-es modern gőzmozdonyával, illetve egy-két érdekesebb próbálkozással foglalkozunk.

A legnagyobb moderngőzös-projekt: a Chesapeake& Ohio ACE-3000

A modern gőzmozdonyok területén a legnagyszabásúbb tervet Amerikában álmodták meg, 1980-ban. Az újkori gőzmozdonyokat az egykoron több gőzturbinás típust és különleges gőzöst is közlekedtető amerikai Chesapeake& Ohio vasúttársaság szerette volna bevezetni, félve az 1979-es második olajválság begyűrűzésétől. Amerika akkoriban ugyanis igen komolyan függött a Közel-Keletről importált kőolajtól, és a ’79-es iráni fordulat után nem volt éppen jó viszonyban a térség országaival.

Az Egyesült Államok területén azonban rengeteg szénbánya található (a legtöbb a keleti részen elhelyezkedő Appalache-hegységben), ahol olcsón, jó minőségű szenet lehetett bányászni (ezekben az államokban az ország fejlettségéhez képest későn, a 70-es évek végén nyugdíjazták csak a gőzvontatást). Az olajválságokkal a kérdés, hogy mivel lehetne kiváltani a közlekedésben használt, kőolajhoz közvetlenül kötődő járműveket, egyre fontosabbá vált. Az egyik lehetséges megoldás – természetesen a vasútvonalak villamosítása mellett, amelyben Amerika a mai napig el van maradva – a széntüzelés „újrafeltalálása” volt.

A vasúttársaság kívánalmainak megfelelően az ACE tehát egy legalább 3000 lóerős (innen az ACE-3000 név), 120 km/h maximális sebességű, teher- és személyvonatok (de főleg teher) vontatására is alkalmas gőzmozdonyt akart készíteni. Megcélzott tartós hatásfok 15 % volt (csúcshatásfok 18 %), ami kb. a fele a dízelmozdonyokénak, azonban a fenti képen láthattuk, mennyivel olcsóbb volt a szén az olajnál ezekben az években.

Az ACE-3000-est nem egy csúcstechnológiát használó-, hanem egy hétköznapokban is üzembiztosan közlekedtethető, különösebben speciális szervizhátteret nem kívánó mozdonynak tervezték. A technológia akkori állása ugyan bőven megengedte volna a korábban éppen annak korlátai miatt megbukott magasnyomású gőzösök építését is, azonban az ACE a tervben kizárólag már „bejáratott” eljárásokat akart alkalmazni, így elkerülendő a majdani sorozatgyártást nehezítő, ill. lehetetlenné tevő gyermekbetegségeket.

Ennek megfelelően a gőzöst átlagos, 20,5 baros kazánnyomással, Belpaire-féle (trapéz keresztmetszetű) tűzszekrénnyel és hagyományos gőzhengerekkel képzelték el, amelyeket a régóta megszokott Heusinger-Walschaert-vezérművel láttak volna el. Úgy tervezték, hogy az „igazán hi-tech” gőzösöket csak akkor kezdenék el fejleszteni, ha az ACE-3000-essel szerzett tapasztalatok pozitívak lesznek.

Az ACE-mozdonyok egy korai elképzeléséről készült ceruzarajz
Az ACE-mozdonyok egy korai elképzeléséről készült ceruzarajz

A hasonlóságok a régmúlt gőzöseivel ebben ki is merültek; a mozdony a „klasszikus” gőzmozdony-építési trendekkel – alvázas felépítés, kazán elöl, mozdonysátor hátul – szemben inkább az akkori dízelmozdonyokra emlékeztetett (zárt, önhordó mozdonyszekrény, vezetőállás magasan elöl), illetve a kazánszerelvények és a vezérlőrendszer is teljesen automatikus lett volna, ezzel megspórolták volna a fűtő nehéz, a korban már elfogadhatatlannak minősített munkáját. A mozdony építésénél az egyik legfontosabb szempont volt, hogy a dízelekhez szokott mozdonyvezetők különösebb átképzés nélkül vezetni tudják.

Az ACE-3000 tüzelőanyag-ellátását biztosító szerkocsi sem a megszokott módon kapcsolódott a mozdonyhoz. A vagon – különálló részegység helyett – a kétszekciós mozdonyokhoz hasonlóan csuklósan, csak a mozdonyszínben oldható (félállandó) módon kapcsolódott a gépes szekcióhoz, közöttük a személykocsik átjáróira emlékeztető, akadálymentes átjutást biztosító kapcsolat is volt. A szerkocsi végén szintén kialakítottak vezetőállást, ezért a gőzmozdonyt nem kellett megfordítani az állomásokon, hasonlóan a mai mozdonyokhoz.

Az ACE-3000 meghajtását egy négyhengeres kompaund gőzgéppel akarták megoldani, melyeknek a menetirány szerinti első hengerpárja nagy-, a mögöttük lévő pár kisnyomású lett volna, mindkét hengerpár 2-2 tengelyt hajtott volna, amelyeket csatlórudakkal akartak összekötni (tengelyelrendezése tehát 2’BB1’, vagy 4-4-4-2). A két gépcsoport tengelyeit belül egy „differenciálzárként” funkcionáló csatlórúd-csoporttal is össze akarták kötni, megakadályozandó a kerékkipördüléseket. A szerkocsi alatt hajtott kerekek nem lettek volna, alátámasztásáról két háromtengelyes futó-forgóváz gondoskodott volna.

Az ACE-terv bukása

Az ACE-tervezetnek végül a 80-as évek közepére helyreálló olajárak („oil glut” – olajbőség) vetett véget. Az olaj ára újra megfizethető szintre esett vissza, Amerikában is rengeteg új olajlelőhelyet fedeztek fel. A vasúttársaságok pedig így már semmiképp nem akarták meglévő, nemrég vásárolt dízeljeiket lecserélni, így az igény a modern gőzmozdonyok iránt megszűnt. A harmadik világbeli országok is igyekeztek kivezetni a gőzvontatást a fő vontatási nemek közül, illetve pénzük sem lett volna új vontatójárművek vásárlására, ezért használt dízelmozdonyokkal oldották meg a típuscserét.

Az ACE-3000-esről készült működőképes sárgaréz modellen talán jobban látszik, hogy is képzelték el ezt a mozdonyt
Az ACE-3000-esről készült működőképes sárgaréz modellen talán jobban látszik, hogy is képzelték el ezt a mozdonyt
 

Az új helyzettel kialakult érdekkülönbözőségek nyomán a tervekkel foglalkozó COALS konzorcium 1985-ben széthullott, miután pénzügyi viták miatt a híres kazángyártó Babcock&Wilcox kivált. Az ACE által megálmodott gőzmozdonyok soha nem valósultak meg, viszont 1991-ben egy modellmagazin elkészítette az ACE-3000-es működőképes modellváltozatát.

Az NSCP-CE-635 széngáz-tüzelésű gőz-elektromos mozdony terve

Az 1982-ben az ACE vetélytársaként megalakult NSCP (National Steam-Propulsion Company – Nemzeti Gőzvontatás-ügyi Társaság) előbbivel ellentétben valóban haladó, igazi hi-tech megoldásokat akart meghonosítani Amerika és a világ vasútjain. Ennek fényében született meg a CE-635-ös gőzmozdony terv, amely több szokatlan megoldást is felvonultatott.

A gőzös kinézetre szintén az akkor divatos dízel- és villanymozdonyokra hasonlított, azonban belül gyökeresen eltért minden addigi, illetve azóta elképzelt tervtől. A CE-635 magasnyomású, 70 baros, fluid-tüzelésű kazánnal dolgozott, fűtőanyaga a fedélzeti szénkészletből előállított széngáz volt. A fluidkazánban termelt gőzt viszont nem a szokványos gőzhengerekbe, hanem egy V12-es kétütemű dízelmotorból erre célra átalakított egyszeres működésű (csak a dugattyúk egyik felén zajlik expanzió) nagy fordulatszámú gőzmotorba táplálták be!

A gőzmotor kompaund üzemű volt, tehát az egyik hengerben már egyszer expandált gőzt egy másik henger munkaterébe vezették be, ahol újra munkát végzett. Ha ez még nem lenne elég különleges, a gőzmotor nem közvetlenül hajtotta a tengelyeket, hanem a hajtás innentől a dízel-villamos mozdonyokhoz hasonlóan, generátorok és a forgóvázakban elhelyezett vontatómotorok segítségével történt! A mozdonyon ezen felül helyet kapott egy Roots-fúvó is, amely a fluid-tüzelésű kazán üzemeléséhez szükséges nagysebességű légáramlatot biztosította.

A CE235-ös mozdony terve. Jól látszik a V12-es gőzmotor
A CE235-ös mozdony terve. Jól látszik a V12-es gőzmotor
 

A mozdony szerkocsija nagyon különleges volt. Egyrészt kondenzátorként is szolgált (rengeteg hűtőventilátorral), másrészt a szokásos feladatain (szén és víz hordása) egy szénporító és széngáz-előállító berendezés is utazott rajta, sőt, a gépes egység a hamut is a szerkocsiba juttatta vissza. A kocsi végén szintén kialakítottak egy vezetőállást (külsőre azonos volt a gépes szekcióval), a vagont hordó két darab háromtengelyes forgóváz pedig szintén hajtott volt, de az itteni vontatómotorok csak a vonat megindításakor kaptak áramot. A gőzmozdony állandó hatásfokát az ezen a területen hihetetlen 18 %-ra becsülték, de bizonyos üzemállapotokban a dízeleknél semmivel sem rosszabb 27 %-ot is el lehetett érni vele (elméletileg). Talán nem meglepő, hogy a minden elemében rendhagyó megoldásból végül nem lett semmi.

A jövő?

Mára, a 200 dolláros olajár egyre fenyegetőbb közelsége miatt többen is úgy vélik, érdemes lenne a hajtás felélesztésére pénzt áldozni, azonban a befektetőket nem könnyű meggyőzni egy ilyen „régi-új” technika létjogosultságáról.

Veit András
a szerző cikkei

hirdetés
Ha hozzá kíván szólni, jelentkezzen be!
 
hirdetés
hirdetés
hirdetés

Kiadónk társoldalai

hirdetés