A gőzmozdony kazánjának vízutánpótlása és működése
A gőzmozdonyok, ezek a monumentális acélóriások, évszázadokon át uralták a vasúti közlekedést, forradalmasítva az utazást és az áruszállítást. Nem csupán gépek voltak; a haladás, a mérnöki zsenialitás és egy letűnt kor szimbólumaivá váltak. Működésük alapvető fizikai elveken nyugszik, mégis bonyolult és lenyűgöző mechanizmusok összessége, amely a vizet és a tüzet mozgató erővé alakítja. Az erőgépük egy gőzgép, amelynek működtetéséhez egy kazánban állítják elő a gőzt.
A gőzmozdony működése a hőenergia mozgási energiává való átalakításán alapul, egy viszonylag egyszerű, mégis rendkívül hatékony elv mentén. A tüzelőanyag elégetésével keletkező hő felmelegíti a vizet, gőzt termel, amelynek nyomását aztán mechanikai munkává alakítják a hengerekben. A gőzmozdony egy gép, amely átalakítja a gőz hőenergiáját mechanikus energiává. A gőzmozdony összenyomja a gőzt a hengerben, a gőz egy dugattyút tol előre és hátra (ide-oda). Ezzel a dugattyú mozgással a gép mechanikai munkát tud végezni.
A gőzmozdony kazánjának felépítése
A kazán a gőzmozdony legfontosabb része, hiszen itt történik a gőztermelés. A mozdonykazán az állókazánból és az ahhoz csatlakozó henger alakú hosszkazánból, valamint az állókazánba erősített tűzszekrényből áll. Ismerjük meg a gőzmozdony kazános gép különböző részeit, ezek: tűzlyuk, tűzszekrény, füstszekrény, fúvócső, túlhevítő fejcső, túlhevítő elem csövek, dóm, szabályozó szelep, biztonsági szelep és kémény.
A tűzszekrény alsó részén helyezik el a rostélyt, itt égetik el a tüzelőanyagot. A tűzszekrényt és a füstcsöveket a kazánvíz veszi körül, amely az égésnél felszabadult hő egy részét átveszi. Az égésnél keletkező salak a rostély alá erősített hamuládába kerül, ahonnan egyúttal az égést tápláló levegőt is bevezetik. A kazán fűtéséhez általában kőszenet, ritkábban fát vagy pakurát használnak. A pakura a kőolaj lepárlásából visszamaradt, sűrű, ragacsos anyag, amelynek fűtőértéke 41 MJ/kg körül mozog. Az 1960-as években néhány 424-es mozdonyt is átalakítottak pakuratüzelésűvé, aminek révén a mozdonyok teljesítménye némileg megnőtt.
Az égésnél keletkező füstgázok a hosszkazánban elhelyezett füstcsöveken, a hosszkazán folytatását képező füstszekrénybe, majd onnan a kéményen át jutnak a szabadba. A mesterséges léghuzat előállítását a füstszekrényben elhelyezett gőzfúvó biztosítja. A gőzgépből távozó fáradt gőz a gőzfúvón és a kéményen át áramlik a szabadba, miközben a füstszekrényben a léghuzathoz szükséges légritkítást is létrehozza.
A kazánban termelt gőzt a hosszkazán felső részén elhelyezett gőzdómból vezetik a gőzgéphez. A szabályozó szelep, ami a dómban helyezkedik el, vezérli a gőz haladását a hengerek felé. A biztonsági szelepek a kazán tetején, kiengedik a gőzt, ha a nyomás egy veszélyes szintig emelkedik. A telített gőz, ami áthalad a fő gőzcsövön a túlhevítő fejcsőig, és aztán áthalad a túlhevítő elem csöveken a kazánban, ahol felmelegszik, túlhevített gőzzé fog válni. A túlhevítő feladata a kazánban képződő telített gőz további felmelegítése, anélkül, hogy a nyomása jelentősen növekedne. A túlhevített gőz nagyobb energiatartalommal rendelkezik, és ami a legfontosabb, nem csapódik le vízzé a hengerekben, így elkerülhető a vízkalapács jelensége, és a mozdony sokkal hatékonyabban működik.
A kazántápvíz utánpótlása és tárolása
A gőztermeléshez folyamatos vízellátásra van szükség. A szükséges vizet, vagyis a kazántáp-vizet a mozdony vagy a rá épített tartályokban (szertartályos gőzmozdony), vagy a mozdonyhoz kapcsolt külön szerkocsiban (szerkocsis gőzmozdony) viszi magával. A szerkocsis mozdonyok esetében a tüzelőanyagot (szén vagy olaj) és a vizet egy különálló kocsiban, a szerkocsiban szállítják, amelyet a mozdony mögé kapcsolnak. Előnyük a nagy hatótávolság és a hosszú üzemidő két utántöltés között. A szertartályos mozdonyok esetében a víztartályok és a tüzelőanyag-tárolók magán a mozdonyvázon, a kazán mellett vagy a mozdony elején és hátulján helyezkednek el. Ezek a mozdonyok rövidebb távokra, tolatási feladatokra vagy kisebb vonalakon voltak ideálisak, ahol a gyakori vízvétel és tüzelőanyag-utántöltés nem jelentett problémát.
A szerkocsiból a vizet a kazán nyomása ellenében kell a kazánba juttatni. Ehhez injektorokat vagy tápszivattyúkat használnak. A MÁV mozdonyokon kizárólag lövettyűk, gőzsugárszivattyúk vannak. Ez mind nyomólövettyű, mert a szerkocsi magasabb helyéről a víz a lövettyűkhöz folyik. A gőztermeléshez folyamatos tápvíz utánpótlás szükséges, legalább 1bar nyomású szivattyút kell használni.
Frissgőz lövettyű
A frissgőz lövettyű a kazán telített gőzét használja fel a víz táplálására. A lövettyűben a telített gőz hőjének egy része alakul át mechanikai munkává. Ez a mechanikai munka nyomja a vizet a kazánba. A frissgőz lövettyű működését a vízváltó nyitásával indítjuk meg. A nyitáskor a szerkocsi vize a lövettyűházba áramlik és a csordulószelepet megemelve a szabadba folyik. Ekkor nyitjuk a gőzszelepet, mire a kazán gőze a frissgőz fúvókába áramlik. A frissgőz fúvóka szűkülő fúvóka, ami a gőz sebességét növeli, tehát a keverőfúvókába nagysebességű gőz áramlik. Itt nekiütközik a víznek és keveredik vele, miközben a gőz nagy része lecsapódik, vagyis térfogata hirtelen csökken. Ha elég sok gőz csapódik le, a keverőtér nyomása a keverőfúvókában az atmoszférikus nyomás alá csökken. Ennek két hatása van: nem engedi a szabadba folyni a vizet és a gőz nagyobb sebességgel érkezik a keverőtérbe, s így nagyobb lesz a sebessége a vízzel való keveredés után is. A keverőfúvókában kialakuló nagysebességű gőz-víz keverék ezután a bővülő nyomófúvókán áramlik át. A nyomófúvókában a sebesség csökken és a nyomás nő.
Fáradtgőz lövettyű
Míg a frissgőz lövettyű csak a kazán telített gőzét használja fel táplálásra, addig a fáradtgőz lövettyű a fáradtgőzt is felhasználja. Két üzeme van. Nyitott szabályzónál a gépezet fáradtgőzének kb 1/6 részét használja fel, és friss gőzt is használ. Zárt szabályzónál csak frissgőzt használ, mert fáradtgőz nem áll rendelkezésre. Három fő része van: az olajelválasztó, az indítófej és a lövettyűház. A fáradtgőz lövettyű gazdaságosabb, mert egyébként veszendőbe menő energiát is használ a tápláláshoz, így a kazán hatásfokát javítja.
A kazántápvíz minősége és kezelése
A tápvíz oldott állapotban levő ásványi anyagok a víz melegítése során kiválnak és vízkövet vagy kazánkövet okoznak. A kazánkő a kazán és a füstcsövek felületén rakódik ki és különösen a füstgázokkal érintett felületekre rásül. A kazánkő rossz hővezető képessége erősen rontja a kazán hatásfokát, továbbá a kazánlemezek túlzott mértékű felmelegedését okozza. A tápvízben oldott állapotban levő ásványi anyagok a vizet keménnyé teszik. Ezt a keménységet különböző vegyszerek (szóda) adagolásával csökkenteni lehet, mert ezek hatására az ásványi anyagok iszap formájában kiválnak. Például a mész-szódás eljárásnál szódát (nátrium-karbonát) használnak (Ca(OH)2 és Na2CO3 adagolásával), amely aztán leülepedik a tartály aljára. Igényesebb de ritkán használt eljárás vízlágyítás céljára az ún. szóda-szódás.
A víztisztító feladata, hogy a betáplált víz irányának többszöri megtörésével, másrészt a betáplált víz felmelegítésével iszapot válasszon ki. Az iszapot a víztisztító alján lévő iszapgyűjtő csőben tárolják, ahonnan lefuvatható. Az egyik MÁV-nál használt víztisztító a Petz-Rejtő féle víztisztító, mely cellákon vezeti végig a tápvizet. A cellák hol alul, hol felül vannak összekötve egymással, s így bennük a víz iránya megtörik. A cellák alul iszapgyűjtő csőbe torkollnak. A cső vége fedéllel illetve lefuvatóval van lezárva.
A kazán víztelenítésére, a kazánban összegyűlt iszap eltávolítására szolgálnak a kazánlefuvató váltók, melyeket vagy a hosszkazán iszapzsákjára, vagy az állókazán rákfalának és oldalfalának, újabban ajtófalának alsó részére helyeznek el. Régebben egyszerű kúpos csapokat alkalmaztak, melyek gyakran beszorultak, s ezért később tolattyús lefuvatókat használtak. A kerek tolattyút rugó, de a kazánnyomás is ülésére szorítja. A tolattyút mozgató üreges kart és vele együtt a tolattyút külső karral mozgatjuk. Az iszapolás gyakoriságát a mágneses rúd segítségével lehet ellenőrizni, és amennyiben a vaspor mennyisége csökken, ritkítható az iszapolás gyakorisága.
A tápvíz oldott gázokat is tartalmaz, amik korróziót okoznak. Fontos, hogy 1 nk° alatti keménységű vizet célszerű használni. A mész-szódás eljárásnál használható mérés fenoftaleinnel is történhet. A tápvíz ellenőrzésére vegyszerrel lehet mérni a keménységet. Készletet pl. olcsón lehet vásárolni az akvarisztikai boltokban.
Íme egy táblázat a vízkeménység csökkentéséről a megadott adatok alapján:
| Lágyító vegyszer | Víz mennyisége | Kezdő keménység | Felhasznált vegyszer | Elért keménység | Megjegyzés |
|---|---|---|---|---|---|
| Trisó (nátrium-foszfát) | Ismeretlen | Ismeretlen | 4,51 g | Ismeretlen | Iszap formájában kiválik |
| Sav | 100 liter | 29 nk° | 20 gramm | 3 nk° | Hasonlóan lágy víz állítható elő |
A kazánvízszint és nyomás ellenőrzése, biztonsági rendszerek
A vízmérők (vízállásmutatók) feladata, hogy a kazán vízszintjének magasságát érzékelhetővé tegye. A vízszintet azért kell ellenőrizni, hogy a víz se túl magasan, se túl alacsonyan ne legyen. Túl magas vízállás esetén a gőz áramlása vizet ránt magával a gőzgép hengerébe. Az alacsony vízállás különösen veszélyes, mert a tűzszekrény mennyezete annyira felmelegszik, hogy szilárdságát elveszti, ilyenkor a kazán felrobbanhat. Ezért hatósági előírás, hogy a kazán fűtőfelületének legmagasabb pontját a mozdony bármely helyzetében 100mm vastag vízrétegnek kell borítania, pályaemelkedőn és lejtőn egyaránt. A vízszint megállapításánál a gőzelvétel nélküli üzem is fontos tényező. Ha ugyanis gőzt engedünk ki a kazánból, akkor a vízállás megemelkedik, mert az elvezetett gőz miatt csökken a nyomás a víztükör felett, és a gőzbuborékok megemelik a vízszintet. A kazánba vízszint érzékelők is be vannak szerelve, ami a töltést vezérli. Ez a vízszint érzékelő védi a kazánt a kiürüléstől. Túl magas kazánfal hőmérsékletnél letiltja a működést. A tiltás csak akkor múlik el, ha a kazán lehűl és a vízszint helyreáll. Ilyenkor a szennyezett érzékelőket kötelező megtisztítani.
A vizállásmutató üvegcsövét az alsó és felső fejbe tömítve, űr-anyával rögzítik. A felső fej a gőztérhez, az alsó a víztérhez csatlakozik, s így közlekedőedény elv szerint az üvegcsőben látható a vízszint. Mindkét fejben egy elzáróorsó van, mellyel szükség esetén elzárható a gőz- vagy a víztér. Az alsó fejben lecsapóváltó is van, mellyel a vizállásmutató működését ellenőrizhetjük. Ha a lecsapóváltó nyitásakor hirtelen eltűnik a víz az üvegcsőből és zárásakor hirtelen megjelenik, a vizállásmutató nincs eldugulva. Ha üzemközben az üvegcső eltörik, akkor a kezelőszemélyzetet az un. Sebeszta golyó védi meg a leforrázástól. Ez a golyó az alsó fejben a Sebeszta-kosárban helyezkedik el, a felső fejben pedig egy vízszintes teknőben. Az üvegcső törésekor kiáramlani akaró víz és gőz mindkét fejben magával ragadja a golyókat, melyek a kifelé vezető szűkebb lyukakat elzárják. Az eltört üveg szétszóródó szilánkjaitól a személyzetet védőkosár védi. Az üveg kicserélésekor a záróorsókat zárva tartjuk. A megengedett legalacsonyabb vízszint a vizállásmutató üvege mögötti táblán látható. A táblán olyan beosztás van, mely a különböző ezrelékes pályaemelkedőkre mutatja a szükséges vízállást.
A kazánban uralkodó nyomást folyamatosan ellenőrizni kell, ezért a kazánon nyomásmérő található. A feszmérőt biztonsági okokból alkalmazzák a kazánokon. A feszmérők a személyzet által jól látható helyen vannak az állókazánon, és a kazánban uralkodó nyomást mutatják. A legelterjedtebb a Bourdon-féle csőrugós feszmérő. Belsejében egy ovális keresztmetszetű, körbehajlított cső, a Bourdon-cső van, melynek egyik nyitott vége a kazán gőzterével van összeköttetésben, a másik zárt vége egy fogasemeltyűt mozgat, az pedig egy mutatót. A cső a nyomás hatására ki akar egyenesedni, s ezt a mozgást viszi át a fogas szegmens a mutatóra, mely egy számlap előtt mozog. A kazán legmagasabb megengedett nyomása piros vonallal van megjelölve a feszmérőn. A kazánnyomás jellemzően 16 atmoszféra (bar) volt, ami jelentős erőforrást biztosított a hengerek meghajtásához.
A hatóságilag engedélyezett kazánnyomás fölé a gőznyomást nem szabad emelni. Ennek megakadályozására biztonsági szelepeket alkalmaznak. A rugómérleges biztonsági szelepet már csak a régi mozdonyokon lehet látni. A szelepet egykarú emelő segítségével rugómérleg szorítja ülésére. A rugómérleg két egymásba nyúló tokban helyezkedik el. A szelep nyitásakor a rugó nyúlik és a két tok elmozdul egymásban. A rugó feszültségét kézikerékkel szabályozhatjuk. Hátránya a nagy szerkezeti magasság és a kis szelepemelkedési magasság, ami miatt kevesebb gőz tud kiáramlani, s így a megengedett fölé emelkedhet a nyomás.
A közvetlen rugóterhelésű biztonsági szelep szerkezeti magassága kisebb és az engedélyezett nyomásra a szelep teljes keresztmetszetével hirtelen nyit. A rugó közvetlenül terheli a szelepet. A szelepnek az ülésén túlnyúló pereme van. A szelep nyitásakor a kiáramló gőz nyomása a peremfelülettel megnagyobbodott szelepfelületre hat, s azt hirtelen megemeli. A gőz a szelepház felső részén lévő furatokon távozik. A fojtókamra biztosítja, hogy ne távozzon túl sok gőz. A gőzkazán szabályozása a gőz nyomása alapján történik. A nyomásmérőn beállítható maximális érték 0,50bar. A nyomásmérőnek két állítható kapcsolási nyomása van. A beállított max. nyomásnál záródik be a csappantyú (pl. ha 0,45bar a max., az alsó kapcsolási nyomásérték 0,40bar), ez a hiszterézis. Ekkor a rostély is megáll. Ha a nyomás visszaesik, akkor a vezérlés a ventilátort és a rostély mozgatást is kikapcsolja, és a kazán teljesítménye is csökken.
Gőzvonatatású különvonat Lajosmizsére a 247-es Bivallyal
Gőzszabályozás
A gőzszabályzó kinyitásával a gőz a gőzvezetéken keresztül a hengerekhez áramlik. Kétféle gőzszabályozó van használatban: a tolattyús és a szelepes. Régebbi mozdonyokon egyszerű síktolattyút használtak. Nagyobb teljesítményű mozdonyokon részben tehermentesített tolattyút használnak. Ennél a melléktolattyú szorosan illeszkedik a vonórúd csapszegen. A főtolattyún ovális lyuk van, s így késve követi a melléktolattyút. A szabályzó zárt állásában a melléktolattyú befedi a főtolattyú átvezető réseit. Nyitáskor csak a melléktolattyú mozdul el, ezért a két tolattyú átvezető rései egymás fölé kerülnek és a kazán gőze a főtolattyú másik oldalára áramlik és részben tehermentesíti azt.
A tolattyús szabályzók helyett az újabb mozdonyokon szelepes szabályzót alkalmaznak. A MÁV mozdonyain a túlhevítő elé építik be az általánosan használt Wagner-szelepes gőzszabályzót. A szelep testében két tér van. Az első térben a szeleprúd végére szerelt indítószelep, a felső térben a szeleprúdból kiképzett kis szelep. A szelep dugattyúszerű kiképzésével a szelepházban szintén két teret létesít. A dugattyús rész fölötti tér állandó összeköttetésben van a szelep testében lévő alsó térrel, ahol az indítószelep van. Zárt helyzetben a gőz a szeleptest felső terébe áramlik az oldalnyílásokon át. Innen a kis szelepen át a dugattyú feletti térbe és a szeleptest alsó terébe. Mivel a két tér állandó összeköttetésben van, a szelep zárt helyzetében a szeleptest alsó és felső terében és a dugattyú fölötti térben egyforma a gőznyomás. Nyitáskor a kisszelep zárja a dugattyú feletti térbe vezető utat, és az indítószelep felemelkedik üléséről, így szabaddá teszi az utat a szeleptest alsó részéből és a dugattyú feletti térből a gépezet felé. A gőz nyomása a dugattyút felfelé, a szeleptestet lefelé nyomja, így nem kell nyitáskor legyőzni a gőznyomásból eredő erőt.
Minden állókazán ajtófalára táblát rögzítenek, ami a kazán főbb adatait tartalmazza: a kazánt gyártó vállalat neve, a kazán gyártási évszáma, a gyártási sorszáma, az engedélyezett legnagyobb kazánnyomás, a tűzszekrény felső éle, a kazánhasználati engedély lejáratának napja.
tags: #mozdony #kazan #viz #utanpotlas
