Parný rušeň

Dobový nákres Wattovho parného stroja

V čase, keď James Watt vylepšil parný stroj Thomasa Newcomena natoľko, že sa ním dalo poháňať koleso, ním boli poháňané iba stroje v továrňach. Dôvodom bola veľká hmotnosť a rozmery vtedajších parných strojov znemožňujúce ich jednoduchý transport najmä vo funkčnom stave, čo načas znemožňovalo využitie v doprave.

Konštrukcii parného rušňa predchádzali pokusy s parnými vozmi. Prvé vozidlo poháňané parou určený na ťahanie kanóna zostrojil v roku 1769 Francúz Nicolas Cugnot. Aj keď bolo vozidlo pri prvej jazde zničené, ďalšie parné vozidlá vznikali v Anglicku.

Zdokonaľovanie konštrukcie parného stroja viedlo k znižovaniu hmotnosti a zvyšovaniu účinnosti. Následkom toho si v roku 1784 nechal Watt patentovať princíp pohonu parného rušňa. V tom istom roku jeho zamestnanec Richard Mudroch vytvoril model „samo-poháňaného“ parného vozidla.

Replika prvého koľajového rušňa na svete – lokomotívy Richarda Trevithicka z roku 1803. Horizontálny jednovalcový parný stroj je namontovaný vnútri kotla. Nie sú dôkazy, že by táto lokomotíva niekedy fungovala.

Parný rušeň (vtedy nazývaný parovoz) sa na koľajniciach objavil v rokoch 1803–1804. Vynašiel ho majiteľ bane v južnom Walese Richard Trevithick, ktorý mal bohaté, ale neúspešné skúsenosti so stavbou parovozov na cesty, ktoré však pri vtedajšej kvalite ciest nemohli obstáť. Trevithick si stanovil cieľ, aby rušeň utiahol náklad hmotnosti 10 ton, jeho parovoz (označenie locomotive sa vžilo až o 25 rokov neskôr) však 21. februára 1804 utiahol o 18 ton uhlia viac a po ich vyložení dokázal rýchlosťou 8 km/h odviezť 70 užasnutých cestujúcich. Vďaka tomuto výkonu začal byť používaný v bani, avšak po 5 mesiacoch služby bol nahradený späť koňmi, pretože sa pod ním lámali biedne liatinové koľajnice. Po tomto výkone vyrobil Trevithick ešte ďalšie rušne pomenované na počesť tomuto experimentu. Jeden z nich jazdil v miestnej uhoľnej bani v Tyneside, kde ho uvidel George Stephenson.

Rušeň Puffing Billy z roku 1813 s usporiadaním pojazdu B

Prvý komerčne úspešný rušeň postavil Matthew Murray. Tento rušeň nepoužíval adhézny systém (pohon po koľajach iba pomocou adhézie – trením kolies), bola to v skutočnosti zubačka. Rušeň sa nazýval The Salamanca. Bol vytvorený pre úzkorozchodnú Midletonnskú železnicu v roku 1812. Salmanca bola nasledovaná rušňami Puffing Billy a Wylam Dilly konštruktéra Wiliama Hedleyho – prvými úspešnými rušňami poháňanými adhéznym systémom a zároveň najstaršími preživšími rušňami.

Lokomotíva Rocket Georga Stephensona v Science Museum v Londýne

V roku 1814 George Stephenson, inšpirovaný pôvodnými rušňami Trevithicka a Hedleyho, presvedčil majiteľa Killingworthskej bane, kde pracoval, aby mu dovolil vybudovať parný rušeň. Postavil Blüchera, jeden z prvých úspešných pätkovaných adhéznych rušňov. Stephenson hral dôležitú rolu pri všeobecnom prijatí parných rušňov. Jeho návrhy výrazne zlepšovali rušne jeho predchodcov. V roku 1825 postavil rušeň Locomotion No. 1, ktorý dal rušňom meno, pre Železnicu Stockton–Darlington (The Stockton and Darlington Railway, S&DR) , ktorá sa stala prvou verejnou parnou železnicou.

V roku 1827 postavil Timothy Hackworth rušeň Royal George, prvú lokomotívu s troma poháňanými nápravami (usporiadanie 0-6-0). Pridanie ďalšej nápravy umožňovalo použitie ťažšieho, väčšieho a tým aj výkonnejšieho kotla, čo sa pozitívne podpísalo na výkone lokomotívy. Ďalšou Hackworthovou lokomotívou bola Sans Pareil postavená pre Rainhillské skúšky. Bola to súťaž, pri ktorých sa vedenie Železnice Liverpool–Manchester (Liverpool and Manchester Railway, L&MR) rozhodovalo, ktorý rušeň použije ako hlavné zariadenie na novobudovanej železnici.

Rainhillské skúšky vyhral 8. septembra 1829 Stephensonov rušeň Rocket postavený toho istého roku 1829. Tento úspech viedol Stephensona ku vytvoreniu firmy, ktorá sa stala hlavným budovateľom rušňov pre Veľkú Britániu, USA a väčšinu Európy.

Na rušni Rocket uplatnil Stephenson princípy využívané počas celej ďalšej existencie parných rušňov. Sú to konštrukčné prvky ako pozdĺžny rúrkový kotol vzadu so skriňovým kúreniskom obklopeným vodou, dva parné valce priamo poháňajúcich súkolie či použitie výfuku z valcov pre zvýšenie ťahu komína. Vertikálne inštalované valce prvých lokomotív sú nahradené šikmými, čím sa znížilo poškodzovanie koľajníc.

Zo začiatku boli americké železnice odkázané na lokomotívy z britského dovozu, prvé rušne vyrobené v USA pochádzajú z roku 1830. Boli to Tom Thumb (2–2–0 resp 1A) konštruktéra Petera Coopera a Best Friend of Charleston (0–4–0 resp B) vyrobený železiarňami West Point Foundry. Napriek ranej konštrukcii (jednoduchý pojazd, vertikálny kotol) a relatívnemu neúspechu oboch (Tom Thumb sa počas demonštračných pretekov s vozom ťahaným koňom pokazil a Best Friend of Charleston v roku 1831 dokonca vybuchol) položili základ americkej konštrukcii rušňov.

Rušne dovážané z Británii neboli stavané na americké kľukaté trate s ľahkými zvrškami, ktoré ničili a často sa vykoľajovali. Na jeseň 1831 John Jervis usúdil, že lokomotívy vyrobené v Británii či konštruované v Amerike podľa britského vzoru majú krátky rázvor a fixný podvozok, čím sa nehodia do amerických podmienok. Pri návrhu lokomotívy Experiment preto umiestnil poháňacie kolesá až za kúrenisko a dopredu namontoval otočný podvozok so štyrmi behúňmi, vďaka ktorému lokomotívy ľahšie prechádzali ostrými zákrutami. Vzniklo tak usporiadanie 4–2–0 (2'A) pomenované po svojom autorovi, ktoré dominovalo americkým lokomotívam v rokoch 1835–1842[1].

Le Continent, „cramptonka“ pre trať Paríž–Štrasburg, bola v službe 67 rokov (1852–1919).

Cramptonove lokomotívy sú typom parnej lokomotívy z polovice 19. storočia. Vyznačujú sa nízko uloženým kotlom a usporiadaním pojazdu 4–2–0 (2A), prípadne 6–2–0 (3A), pričom hnacie dvojkolie má veľký priemer a je montované za kúreniskom.

Spodný obrys kotla je u týchto lokomotív len cca 80 cm nad koľajnicami, čo zvyšuje stabilitu pri vysokých rýchlostiach. Vďaka tomu dokázali – hoci boli stavané na štandardný rozchod – konkurovať širokorozchodným lokomotívam, ktoré preferoval napríklad britský konštruktér Isambard Kingdom Brunel. Vďaka veľkému polomeru hnacích kolies (až 2,5 m) bola – v porovnaní s lokomotívou s menšími hnacími kolesami pri rovnakej rýchlosti – nižšia rýchlosť pohybu piestov. Rýchlosť pohybu kmitajúcich častí parného stroja, spolu s vibráciami, ktoré sú tejto rýchlosti úmerné, sú limitujúcim faktorom pre rýchlosť lokomotívy.

Tieto dva konštrukčné prvky umožňovali „cramptonkám“ dosahovať na tú dobu vysoké rýchlosti – 126 km/h v roku 1848[2] a dokonca 144 km/h[3] 20. júna 1890[4], pričom rekord bol dosiahnutý pri ťahaní vlaku s hmotnosťou 159,5 t. Pre porovnanie, Rocket pri Rainhillských skúškach v roku 1829 dosiahla maximálnu rýchlosť 56 km/h počas voľnej jazdy bez vagónov.

Bolo vyrobených približne 320 kusov lokomotív tejto konštrukcie a niektoré slúžili až 75 rokov. Používali sa najmä na vozbu ľahkých rýchlikov na rovinatých tratiach, pretože jediné hnacie dvojkolie a jeho umiestnenie neposkytovali vysokú adhéznu hmotnosť. I tak sa tieto lokomotívy v krajinách, kde premávali, stali synonymom rýchlikovej dopravy – vo francúzštine fráza „pendre le Crampton“ (doslova zavesiť Crampton) znamená chytiť vlak[3].

Počas celého 19. storočia boli parné rušne kontinuálne vylepšované. Zvyšovanie nárokov železničnej dopravy vyžadovalo čoraz výkonnejšie lokomotívy, či lokomotívy prispôsobené miestnym podmienkam.

Rozmerové obmedzenia kladené na kotol viedli k snahe zvyšovanť jeho vnútornú plochu.

Prvé rušne (stephensonova Locomotion, murrayova Salamanca) používali jednoduché kotly tvorené valcovou nádržou na vodu, ktorou viedol dymový kanál od kúreniska na jednej strane do komína na druhej strane. Výhodou týchto kotlov bolo, že kládli dymu malý odpor, takže pre ich prevádzku stačil ťah vyššieho komína. Tento návrh však neposkytoval dostatočnú výhrevnú plochu, takže bolo spaľovanie uhlia málo efektívne a jeho spotreba vysoká. Lepšie výsledky sa dosahovali zahnutím dymového kanála na konci kotla do tvaru písmena U, takže prechádzal kotlom dvakrát a komín bol umiestnený na rovnakej strane kotla ako kúrenisko. Tento návrh používali lokomotívy Puffing Billy, Wylam Dilly, Royal George a dokonca i úplne prvé lokomotívy z Pen-y-darren a Coalbrookdale Richarda Trevithicka.

Nepostačujúce parametre raných kotlov viedli k ďalšiemu zvyšovaniu výhrevnej plochy nahradením dymového kanála mnohými rúrkami – žiarovými a dymovými rúrkami. Takýto kotol prvýkrát nachádzame na Stephensonovej lokomotíve Rocket. Rúrkový kotol však už kládol prechádzajúcim plynom vysoký odpor a žiadny rozumne vysoký komín nebol schopný dodávať potrebný ťah. Stephenson preto použil dyšnu', dýzu inštalovanú v komíne, cez ktorú sa vyfukuje para z valcov. Prúd pary strháva splodiny horenia a vytvára tak umelý ťah ekvivalentný ťahu komína vysokého niekoľko stoviek metrov. Primitívne dyšny inštaloval do svojich lokomotív už Trevithick a boli používané a zdokonaľované počas celej éry parných lokomotív.

Zvýšenie výkonu lokomotívy bolo tiež možné cestou zvyšovania tlaku pary a zväčšovanie priemeru valcov. V 70. rokoch 19. storočia boli stavané lokomotívy s kotlovým tlakom až 12 MPa a výhrevnou plochou 125 m². Vylepšovanie dyšny v komíne zvyšovalo jeho ťah a tým aj množstvo nasávaného vzduchu.

Prínos k zvýšeniu efektivity a výkonu malo v roku 1898 použitie prehriatej pary konštruktérom Ing. Wilhelom Schmidtom, ktorý zostrojil prehrievač pary inštalovaný v dymnici. V roku 1902 konštrukciu vylepšil umiestnením prehrievača do dymových rúrok[5], čo sa všeobecne rozšírilo. Zvýšenie výkonu v porovnaní s nasýtenou parou je až 40 %, spotreba paliva a vody je približne o 20 % nižšia [3]. Ďalšie pozitívne efekty sú zjednodušenie a zníženie počtu valcov, hmotnosti a rozmerov lokomotívy a redukcia nákladov.

Hospodárnosť lokomotívy zlepšilo i zefektívnenie odparovania vody v kotli vhodne zvoleným klenutím kúreniska či inštaláciou varníka do kúreniska v polovici 20. storočia. Varník (termosifón) je dutina plutvovitého tvaru zvyšujúca výhrevnú plochu kotla i o niekoľko metrov štvorcových.

Zvýšenie účinnosti malo tiež predhrievanie napájacej vody až skoro na 100 °C (výfukový napájač Metcalf).

Parný stroj inštalovaný na lokomotíve, vpravo valec (dolu) s posúvačovou komorou (hore), vľavo ojnica (spája piestnu tyč so zadným kolesom), spriahlo (vedené vodorovne za ojnicou; spája predné a zadné koleso) a Walschaertov rozvod (nad ojnicou).

Pohyb pary v parnom stroji (plnenie a výfuk z valcov) riadi rozvod. Prvé parné stroje boli plnotlaké, para bola privádzaná do valca počas celého jeho pohybu s negatívnym dopadom na účinnosť parného stroja.

V roku 1842 zdokonalili inžinieri William Howe a William Williams, zamestnanci G. Stephensona, rozvod tak, že umožňoval jednoduchšiu zmenu smeru jazdy, a tiež riadenie prívodu pary do valca počas jeho pohybu, čo viedlo k efektívnejšej expanzii pary – spotreba pary sa znížila pri zachovaní výkonu. Vznikol tak parný stroj s expanziou. Rozvod patentoval ich zamestnávateľ, a preto je dnes známy ako Stephensonov rozvod.

Anglet, lokomotíva postavená v roku 1876 Anatole Malletom pre Železnicu Bayonne-Anglet-Biarritz[6], je prvá komerčne úspešná združená lokomotíva na svete.

Lepšie využitie tlaku pary bolo tiež možné dosiahnuť expanziou pary v dvoch či viacerých združených valcoch – vysokotlakovom a nízkotlakovom. Para s vysokým tlakom sa čiastočne rozpína v menšom vysokotlakovom valci, odkiaľ sa privádza do väčšieho nízkotlakového na dokončenie expanzie. Prvé zmienky o združených lokomotívach pochádzajú z 50. a 60. rokov 19. storočia z USA. Prvú európsku a zároveň prvú komerčne úspešnú združenú lokomotívu a postavil v roku 1876 Anatole Mallet, ktorý si dal princíp združenej lokomotívy patentovať v roku 1874.

Účinnosť stroja sa ďalej zyvšovala zväčšovaním prieduchov na celom vedení pary medzi regulátorom a výfukom, vylepšovaním dyšny (patent dvojnásobnej dyšny Kylchap) a postupným nahradzovaním posúvačových rozvodov ventilovými.

Kvôli jednoduchšiemu priechodu oblúkmi vznikli koncom 19. storočia členené rušne s viacerými vzájomne otočnými skupinami poháňacích náprav. Medzi staršie návrhy patria koncepcia francúza Jeana Jacquesa Meyera z roku 1861 a návrh škótskeho inžiniera Roberta F. Fairlieho z roku 1864. Koncepcia Meyer má dve skupiny otočných hnacích náprav umiestnených pod lokomotívou. Fairlie sa od nej odlišuje deleným kotlom (s rušňovodičovou kabínou uprostred). Od tejto koncepcie je odvodená koncepcia Single Fairlie s jedným kotlom, jednou poháňanou a jednou nepoháňanou skupinou náprav.

Anatole Mallet spojil združený parný stroj s členeným návrhom rušňov a vytvoril tak koncepciou Mallet patentovanú v roku 1884. Rušne Mallet majú vzadu pevnú skupinu hnacích náprav s dvoma vysokotlakovými valcami a vpredu otočnú skupinu hnacích náprav s dvoma nízkotlakovými valcami. Prvá lokomotíva tohto usporiadania bola postavená v roku 1887 v Belgicku[3]. Dôvodom pre toto usporiadanie bolo i zníženie strát pary, kvôli ktorým bola na otočnú časť pojazdu umiestnená nízkotlaková časť parného stroja. Usporiadanie sa rozšírilo najmä v USA[3].

Usporiadanie Garratt je pomenované podľa austrálčana Herberta Williama Garratta, ktorý ho patentoval v roku 1907.

Toto usporiadanie sa vyznačuje dvoma samostatnými pojazdami s parnými strojmi, medzi ktorými je na otočných čapoch umiestnený rám s kotlom a kabínou. Táto konštrukcia umožňuje stavbu veľmi výkonných lokomotív s dostatočnými zásobami vody a paliva, ktoré sú umiestnené priamo na oboch pojazdoch.

• 
  Usporiadanie Fairlie
• 
  Usporiadanie Meyer
• 
  Usporiadanie Mallet
• 
  Usporiadanie Garratt

Použitie spojníc viedlo k jednoduchému zvýšeniu počtu poháňaných náprav a tým k nárastu adhézie.

Rušeň Union Pacific Big Boy

V dobe svojho najväčšieho rozvoja, ktorý nastal okolo polovice 20. storočia, jazdilo po svete takmer štvrť milióna parných rušňov, ktoré zabezpečovali približne 90 % železničnej dopravy.

Vrchol v konštrukcii parných lokomotív možno vidieť v najrýchlejšej lokomotíve sveta – rušni Mallard, ktorý 3. júla 1938 dosiahol rýchlosť 202 km/h a vytvoril rekord parnej trakcie, ktorý dodnes nebol prekonaný. Ďalším rekordérom bol Big Boy, najdlhší skonštruovaný parný rušeň (dĺžka 40,4 m). Tento „veľký chlapec“ s hmotnosťou 548,2 t dosahoval výkon 4 700 kW.

Napriek početným vylepšeniam nebol parný rušeň schopný v druhej polovici 20. storočia obstáť v konkurencii ostatných druhov rušňov a to najmä pre:

• nízku energetickú účinnosť parného stroja
• prácnosť obsluhy (veľká náročnosť na manuálnu prácu lokomotívnych čiat)
• prašnosť a hlučnosť
• zložitú a časovo náročnú prípravu na prevádzku – v kotloch lokomotív sa muselo kúriť mnoho hodín pred jazdou
• obmedzenie maximálnej rýchlosti – zrýchlenia, s ktorými sa pri vysokých rýchlostiach časti parného stroja (piest, križiak, ojnica...) pohybovali, nebolo už možné zvyšovať. Dochádzalo tiež k problémom s vyvažovaním kmitajúcich častí hnacieho mechanizmu.
• nutnosť budovať a udržiavať komplexnú infraštruktúru:
  • vodovody, systémy prepojených vodných nádrží, vodné žeriavy
  • výhrevne, kde prebiehala príprava lokomotívy na jazdu
  • sklady a manipulačná infraštruktúra pre palivo a popol

Koncom 20. storočia zmizli parné rušne prakticky zo všetkých tratí. Jedinou krajinou s významnejším podielom prevádzkovaných parných rušňov je dnes Čína (6 500 aktívnych rušňov v roku 1996). V ostatných častiach sveta sú využívané len sporadicky v miestach výskytu lacného uhlia (napr. Južná Afrika) či len pre turistické účely.

• Čiernohronská železnica (ČHŽ)
• Historická lesná úvraťová železnica (HLÚŽ, Nová Bystrica – Vychylovka, Kysuce)
• Čermeľská železnica