История на парната машина

За първооткривател на принципната работа на парата може да се счита френският учен Дени Папен. Той живял от 1647 до 1712. Роден е в Шитине край град Блуа. Бил е асистент на Кристиан Хюйгенс в Парижката академия. По късно живее в Лондон, където е асистент на Робърт Бойл. През 1680 изследвайки разширяването на водата при изпаряването и, му дошло на ум, че тази сила може да върши някаква работа, примерно да повдига бутало. Той построил парна машина собствена конструкция. Така той изобретил парния котел с предпазен клапан  и зависимостта на точката на кипене на водата от налягането. Дени Папен обаче бил учен и не се интересувал от практическото приложение на машината си.
 Следващата стъпка направил осемнайсет години по късно английският инженер Томас Севери. Той успял на приложи идеята на Папен в промишлеността. Тя била огромна и служела за изпомпване на вода от големи дълбочини. Този тип двигатели били наречени пароатмосферни защото и силата на парата и налягането на атмосферата. Машината получила голямо разпространение като била използвана широко в минната индустрия за отводняване на шахтите или в дворците на европейските владетели, за да захранва фонтаните с вода. Въпреки че Севери патентовал машината си тя била вкарана в серийно производство от двама английски ковачи Томъс Нюкомън и Джон Коули.
Те направили пароатмосферните машини по универсални и използваеми навсякъде, където било нужно линейно движение. Тези машини въпреки прогреса, който носели си оставали огромни, мудни и с малък коефициент на полезно действие.
Доста години по късно механика в Барнулския завод Иван Ползунов преоткрил пороатмосферната машина, но успял да изработи по напреднал-двуцилиндров вариант. През 1763 той създал своя първи модел с мощност 1,8 кс. Две години по късно била изработена машина с мощност 32 к.с. която подавала въздух в топилните пещи на завода. За съжаление самият Полузанов умрял от туберкулоза преди машината да започне да действа.
По това време в Англия един от най добрите специалисти по пароатмосферни машини бил Джеймс Уат. Той отлично разбирал кои са недостатъците на тези машини.
В непрестанните си опити да ги усъвършенства Уат успял да създаде нов тип двигател, първата в света универсална парна машина. Това било първото техническо устройство което можело да превръща силата на парата в механична енергия-въртеливо движение. Диаметърът на цилиндъра бил едва 16 сантиметра тя бързо и категорично доказала своето предимство пред пароатмосферните машини. Достатъчно е да се спомене, само че за да свърши същата работа като пароатмосферната, парната машина изгаря четири пъти по малко въглища. След петгодишни доработки по машината Джеймс Уат я патентовал през 1774. Така започнала промишлената революция.
Тази революция естествено имала нужда и от по добър транспорт. Още в лиценза на Уат се казвало, че машината му може да се използва да движи различни превозни средства. Той обаче никога не пристъпил към реализация на тази идея, нещо повече, вече забогатял и съдружник във водещата промишлена фирма „ Болтън & Уат” той всякакви се стремял тя да остане само в стационарен вариант и да не се експериментира с нея за привеждане в движение на транспортни средства.
Първата машина задвижвана все още от пароатмосферен двигател била самодвижещата се колесница на френския учен Никола- Жозеф Куно. Тя била изработена по поръчка на френската армия и потеглила за пръв път на 2 юли 1771. Именно тази машина се счита за предшественик на автомобила, но освен това тя била и първото транспортно средство движено не от мускулна сила. Тежаща 5 тона и движеща се с 4 км/ч и трудно управляема тя била просто опитна конструкция неприложима в живота. Въпреки това тя била началото на съвременния транспорт и показала нагледно, че е възможно да се изработи такъв тип машина.
Имало и други, които искали да направят подобно нещо. Един от тях бил Уилям Мърдок работещ във фабриката на Уат. Той отдавна желаел да изработи нещо подобно, но се страхувал от шефовете си които били твърдо против тази идея. Когато обаче го повишили и станал началник на филиала в Корнуол, той получил някаква самостоятелност и далеч от очите на шефовете си решил да изпробва идеята си. През лятото на 1786 машината била готова. Тя била опитна конструкция и на триколесната платформа нямало нищо друго освен парния двигател. Развивайки добрата скорост от 13 км/ч тя показала, че подобни конструкции са напълно изпълними. По нататък в проучванията  си обаче Мърдок не продължил. Той имал твърде много идеи, някой от които наистина полезни. Той усъвършенствал парната машина. Изработил машина за пробиване на отвори в камък, но най важното му откритие била сухата дестилация на въглища.
Тези машини обаче могат да се възприемат по скоро за предшественици на автомобила, не толкова на влака, за да стигнем до него трябва да обърнем внимание на нещо жизнено важно за него – релсите.
Не е известно кога за пръв път релсите са започнали да се използват, това което е сигурно е че през ХV век в мините на Англия и Германия вече се използвали дървени релси за по лесно придвижване на пълните с руда колички. През 1630 английският минен инжинер Болманг прекарал първата дървена релсова линия за конски впрягове.
Такава дървена линия имало и в леярната на някой си мистър Дерби от Колбрукдейл (Англия). Неговата фабрика се занимавала с производството на артилерийски оръдия за нуждите на британската армия. Оръдията обаче били тежки и често чупели дървените релси. Тогава на зет му Рейнолд му дошло на ума релсите да бъдат направени от чугун като оръдията. Идеята била реализирана и всички останали приятно изненадани от отличното държане на металните релси. На 13 ноември 1767 такива релси за пръв път били използвани за движение по тях на конски впряг.
Следващият изобретател който помогнал много за развитието на транспорта бил ученикът на Мърдок-Ричард Тревитик. Той бил човек на силните усещания и в опитите си да изстиска максимума от парните машини увеличавал налягането до огромни стойности, макар и с риск котелът да избухне и да го убие. Той също изработил своя парна кола. Тя била построена през 1801 и също била опитна конструкция. Някакъв успех можело и да се постигне но с неразумността си и жажда за успехи Тревитик вдигнал налягането много повече от допустимото и котелът избухнал. По някаква щастлива случайност Тревитик оцелял при взрива.
През 1803 той получил работа като инженер в една мина в Южен Уелс. Там рудата се извозвала с конски впрягове с дървени релси. Тревитик се опитал да убеди собственика че това може да прави и една самодвижеща се парна машина. Собственика не повярвал, но се съгласил да отпусне пари за изработката на такава машина назаем. През 1804 Тревитик изработил първия локомотив в историята наречен „Инквита”. За изненада на всички той се оказал на висота и превозвал пет вагона със седемдесет души и 10 вагона с товар  на разстояние от 16 км за около четири часа. Този успех изобщо не се харесал на Уат, който обвинил Тревитик, че рискува живота на машини, с които поддържат високо налягане. До съд все пак не се стигнало защото локомотива изпочупил дървените релси и накрая се експлоатиран като стационарна парна машина. Това разбира се веднага охладило мераците на Уат да проявява гражданския си дълг и да защитава хората.
Тревитик пък заминал да работи в мините Хейтсхед, където по негов проект механика Стил изработил нов вариант на олекотен локомотив. За съжаление конструкцията излязла неуспешна и машината така и не влязла в експлоатация. След този неуспех Тревитик заминал за Лондон където през 1808 построил локомотив който бил използван за увеселителни цели. Той бил гвоздея в шоуто „Хвани ме ако можеш”. Локомотивът фучал със страшната скорост от 30 км/ч в кръг, а хората се мъчели да го догонят.
Следващата стъпка по пътя на локомотива била конструкцията на  Джон Бленкинсоп и Матю Мъри. През 1812 те построили локомотив, който обаче не се търкалял върху метална релса, теглителната сила се предавала посредством зъбно колело върху зъбен гребен, монтиран между релсите. Локомотивът преодолявал големи наклони и всъщност станал първообраз на бъдещите зъбчати железници, използвани при стръмни терени.

Допълнително:

През 1813 Майкъл Брантън пък създал колкото екзотична, толкова и безполезна конструкция. Локомотивът имал крачета като на щурец и се премествал по релсата едновременно търкаляйки се и крачейки. Тази конструкция била отговор на опасенията, че металната релса не може да създаде необходимото сцепление.
Същата 1813 екипът Уилям Хедли, Джонатан Форстър и Тимоти Хакуънд създали локомотива „Пуфкащият Били”. Той бил първият истински локомотив в историята и останал в експлоатация цели 50 години. Въпреки това обаче той не влязъл в серийно производство понеже нямало условия за такова.
Тук в историята се намесва Робърт Стивънсън наричан „баща на локомотивите”.
Той започнал кариерата си през 1814 г., когато построил първият си локомотив „Блюхер”. Той обаче не блестял с особени качества и не получил развитие. През следващите години Стивансън изпробвал още няколко варианта на локомотиви, всъщност конструкцията била почти готова и трябвало само възможност за използване на практика.
През 1821 английският парламент решил да бъде прокарана железопътна линия между градовете Дарлингтън и Стоктън – оживени промишлени и търговски центрове. Тогава Стивънсън предложил композициите да не се теглят от коне както дотогава, а от парни машини. Отговори ли му че няма да помогнат, но ако той приведе в експлоатация локомотив собствена конструкция, няма да са против. Въодушевения Стивънсън заедно със своя съдружник от Нюкясъл побързали да построят завод за производство на локомотиви. През 1824 бил готов и първият локомотив наречен „локомошън” от когото получили името си този тип машини. Той започнал своята експлоатация на 27 септември 1825 като влачел след себе си 34 вагона, от които 12 натоварени с въглища и брашно, а останалите превозващи пътници.
В парламента посрещнали възторжено този успех и упълномощили Стивънсън да построи железопътна линия между Манчестър и Ливърпул която да ползва локомотиви. Задачата била повече от трудна тъй като на пътя имало нужда от 63 виадукта и моста и 1 тунел. Въпреки всички трудности обаче линията била завършена в срок, оставало по важното-локомотива. За избор на локомотив бил обявен конкурс чиято крайна дата била 1 октомври 1829.
В деня на изпитанията застанали пет локомотива. Единият наречен „Циклопед” бил отстранен незабавно понеже в котела му бил открит кон. ”Упоритост” на механика Бърстал също бил дисквалифициран, защото тежал над изискуемите 6 тона. Така останали три локомотива „Новост” на Брейтуейт и Ериксън, „Несравним” на Хакуърт и новия локомотив на Стивънсън „Ракета”.
Тестовите изпитания трябвало да се проведат под формата на състезание за забавление на народа. Това състезание било насрочено за 7 октомври. То обаче било отложено заради повреда в „Новост”. За утеха на присъстващите Стивънсън ги разходил със своя локомотив с „чудовищната” скорост 40 км/ч. На следващият ден лакомотивът „Ракета” демонстрирал голямата си наеженост като многократно преодолявал тестовото разстояние с и без товар. На всички станало ясно, че всяко състезание е безсмислено, Стивънсън бил напред пред конкуренцията.

Железниците навлизат в живота

Локомотивът на Стивънсън имал две двойки колелета, едната задвижваща – свързана с парната машина. Другата двойка били носещи. Тези конструктивни елементи се наричали колооси. Скоро обаче станало ясно, че тази колоосна формула е недостатъчно сигурна. Това, което преляло чашата била една катастрофа във Франция, след което започнали да добавят още две носещи колооси.

Всеки локомотив си има така наречената колоосна формула, която дава броя на различните колооси. Международното обозначение е цифра – буква – цифра и показва съответно броя на предните направляващи на свързаните и на задните поддържащи колооси. Например формулата 1-В-2 показва, че даденият локомотив има, една направляваща, две двигателни и две поддържащи колооси.
След 1850 вече се появяват многоколоосно задвижвани локомотиви. Товарните локомотиви, понякога имат дори и 6 задвижващи колооси. Тайната за успеха на Ракета пред другите локомотиви е използването на димогарни тръби. При тях парата се затопля допълнително преди да стигне до камерата с буталото. Още през 1830 Стивънсън увеличил броя на димогарните тръби от 25 на 130. Това естествено довело до рязък скок в мощността на локомотивите.
Това довежда до невероятен бум в локомотивостроенето Стивънсън е поканен да създаде железници в много страни като САЩ, Франция, Испания и Германия. В САЩ първият влак потегля на 6 август 1829, а в Германия първата отсечка е Нюрберг Фюрт, чието обслужване започва на 7 декември 1835. При тази ситуация обаче Стивънсън е монополист, факт, който не се харесва на твърде много хора. Всички заинтересувани се втурват да строят собствени заводи за локомотиви и железни пътища. Първата такава фабрика е „Боулдън” открита през 1833 в САЩ. Първият локомотив в Русия е построен за промишлени нужди  и се използва в Нижнетагилския металоргичен завод. Откритие на руснаците е тендера – помощен вагон специално предназначен за превозване на въглищата и водата нужни на локомотива. През 1839 в Дрезден немският инженер Йохан Шуберт, професор в дрезденския политехнически университет създал първият германски локомотив „Саксония”.
През 1842 Стивънсън патентовал нова разновидност на локомотива наречена  „Дълъг котел” защото имал дълъг, хоризонтално монтиран цилиндричен котел. Тази конструкция подобрява значително тяговите характеристики на локомотива и му придава линия, която става характерна за следващото поколение локомотиви.
Голям напредък в локомотивостроенето бил направен през 1844 от Томас Крамптън. Неговият локомотив бил характерен с големият диаметър на двигателната колоос. Тъй като двигателните колелета са на задната страна на котела, той можел да бъде удължен и да лежи ниско над релсите. Новият тип локомотиви били кръстени на създателя си – „Крамптън”. Те се отличавали с голяма си скорост, която успявали да развият. Още през 1846 бил постигнат рекорд за скорост с такъв тип локомотиви, която скорост достигала 120 км/ч. Тези локомотиви били използвани изключително широко за дърпане на пътнически влакове.
Локомотивите дълго време останали на това ниво, като естествено се повишили в някаква степен скоростта, мощността и били намален разходът на въглища.
Следващата крачка напред в локомотивостроенето била дело на швейцарския инженер Анатол Малет. През 1878 той успял да накара машините да използват двукратно разходите на парата. Това довело до значителен ръст в мощността на локомотивите. Този тип машини били наречени по късно „компаундни” или тип „Малет”.
При тази система парата първоначално се подава в цилиндър за високо налягане, а след това в цилиндър със ниско налягане. По този начин се използва по голяма част о силата на парата. Почти всички локомотиви строени до първата световна война са компаундни. Постепенно обаче тази идея е забравена.
Скоро конструкторите на локомотиви се сблъскали с един твърде сериозен проблем. В желанието си да ги направят по мощни конструкторите ги правели по големи, тоест по дълги. Дългият локомотив обаче имал сериозни проблеми с маневреността. Колкото е по дълъг той, толкова радиусът на завоя трябва да е по голям. За съжаление обаче влаковете се движат по релси поставени на земята, а теренът не винаги е подходящ за изграждане на такива завои. Опитите да се реши този проблем продължили до 1886 когато английският инженер Малет успял да изработи машина която да отговаря на изискванията на времето. Гениалната му идея се състои в това да раздели рамата на две части и така да намали на половина дължината на локомотива. Този тип локомотиви били наречени „съчленени”, но освен това били наричани и система „Малет” по името на създателя си. Най големчият локомотив изработен по системата „Малет” имал 6 6 свързани колооси и тежал 387 тона, една внушителна дори и днес машина, а по онова време тя била върхът на технологичната мисъл. Това били изключително мощни машини които се използвали предимно за влачене на товарни влакове.
За по тежки планински терени, особено такива в страни от третия свят били конструирани и други типове локомотиви. Принципът на този тип машини бил патентован от Робърт Фарли през 1863. Тази система обаче с времето станала по известна с името „Гарет”. Нейната идея била подобна на тази приложена при системата „Малет”, за разлика от нея се съчленявала не само рамата, а целия локомотив. При този тип машини котелът се носи от две самостоятелно задвижвани единици, монтирани пред и зад самия котел. Този тип локомотиви били изключително удобни за тежки планински терени тъй като можели да извършват завои под наистина малки ъгли, нещо което често се налагало при строителство на железопътни линии в планински условия.
Следващите опити за подобряване конструкцията на локомотивите били свързани с извличането от парата на всичко на което била способна. До края на 19 век локомотивите работели с наситена пара, това е пара, в която имало и водни капки. Поради това нейната температура нямало как да надхвърли 190 градуса.
През 1898 немският инженер Вилхелм Шмид успял най сетне да намери разрешение на този наистина съществен проблем. Той успял на изработи устройство наречено „паропегревател”. Неговата функция се състояла в това да дозагрява парата до пълното изчезване на водните капки, за да могат да се достигат температури на парата от порядъка на 350-400 градуса. Естествено използването на свръх загрята пара подобрило значително мощността на парните локомотиви.
Практически през цялото време, когато се експлоатират парни локомотиви, като най популярно гориво се използват въглищата. Разбира се постоянно са правени опити те да бъдат заменени от по добро и по лесно използваемо гориво. Като такова по принцип се приема мазутът който е по висококалорично гориво от въглищата. В тези опити обикновено е постиган малък или никакъв успех. Някакви по значими усилия в тази насока се полагат само в САЩ. От началото на ХХ в. в локомотивния завод „Болдуин” във Филаделфия се произвеждат серийно локомотиви които се захранват именно с мазут.Въпреки всичко обаче дори този опит завършва с фиаско. Може да се каже че въглищата остават ненадминатото и почти единствено гориво използвано при парните локомотиви.
Това гориво обаче създава и много главоболия при използването му. Най важното е че е нужно постоянно да се вкарва свежа порция гориво. Това пък е свързано с работата на огняря която е много трудна, той и за миг не може да си позволи почивка. От друга страна доброто изгаряне на въглищата зависи в огромна степен от тяхното количество и разпределението им по цялата площ на скарата в котела. Това разбира се истинско предизвикателство за огняря, чиято работа освен много тежка е и много фина, той не бива да струпва въглищата на едно място, а да ги разпределя равномерно, освен това трябва да улучи и точното им количество, ако са повече налягането на парата се вдига до критични стойности и има опасност котела да се взриви. Разбира се има предпазни вентили за спешно изпускане на парата, но използването им води до безсмислено хабене на вода и въглища. Ако пък въглищата са малко, или събрани на куп, то парата не може да се нагрее както трябва и локомотивът няма нужната мощност.
Решение на този известен проблем бил намерен едва през 20 те години на 20 и век. Тогава започнало да се прилага автоматично зареждане на въглищата. Специален транспортьор изгребвал въглища от тендера и директно ги вкарвал в пещта, равномерно разпределяйки ги по цялата повърхност на скарата. Дори този транспортьор обаче не могъл да замени огняря който допълнително оправял малките, но често пъти фатални грешки на автоматиката.
Друг голям и вечен проблем на локомотивите била водата. Парата с която работели била всъщност вода в газообразно състояние която обаче се губи. Наистина локомотивът в своя тендер може да носи запас от около 25-30 тона вода, но тя се изразходва за около 200 километра пробег. За да се запасяват локомотивите с вода по гарите, особено големите се строят огромни водни кули-резервоари за вода, от които се захранват минаващите машини.
Този проблем обаче бил почти непреодолим в страни с по сух климат, където и без това водата е твърде малко и едва стига за хората и добитъка, какво остава пък да се „поят” тия ненаситни чудовища? За тези места са конструирани специални локомотиви с кондензиращи системи. Принципът им на работа е че отработената пара се подава в специални тръбни кондензатори с въздушно охлаждане, където се втечнява и отново се връща към котела. Така пробегът с едно зареждане се увеличава петкратно. От друга страна обаче тези локомотиви били доста скъпи както като себестойност, така и като експлоатация.
Когато в началото на 20 век локомотивите успяват да преминат скоростната граница от 100 км/ч пред тях се изправя, и то в буквалния смисъл на думата, един много сериозен проблем. Това е проблема с аеродинамичното им съпротивление. Локомотивите през 19 век са правени без да се отчита съпротивлението на въздуха, тъй като по това време скоростите все още са ниски. Усъвършенстването на локомотива естествено води и до повишаването на скоростта, което само по себе си винаги е било цел и желание на конструкторите. Първия резултат, който бил почувстван при надхвърлянето на скоростта от 100 км/ч бил рязко повишеният разход на въглища, а това удря директно по рентабилността на железопътния превоз.
Почти веднага започнали опити за придаване на някаква аеродинамичният поне на предната част. Първият опит бил още през 1904 когато германската фирма „Хеншел” произвела първите локомотиви чиято предна част била аеродинамична. Те достигали скорост от 137 км/ч и това било много съществено нововъведение за тях.
По късно започнали да прилагат конусовидни носове, а накрая целият локомотив и тендера били покривани с аеродинамична обшивка, своеобразен кожух, който им придавал изцяло аеродинамична форма. Първият локомотив с такъв обтекател бил американският „Атлантик”, който се движел със скорост 180 км/ч.
Борбата за високи скорости обаче продължила и по нататък. На 11 май 1935 германският локомотив на фирмата „Борзиг” успял да достигне скорост от 201 км/ч.
Толкова (202 км/ч) развивал и британският локомотив „Пасифик”.
Световният рекорд по скорост при парните влакове обаче бил отбелязан почти случайно от един локомотив от железопътна компания в Пенсилвания през 1905 без каквито и да било специални мерки. Той успял да развие цели 204 км/ч.
В средата на 20 век парните влакове са сякаш на върхът на могъществото си. Те осъществяват огромната част от товарните и пътническите превози чрез конструкции и технически решения от най различен вид. Обаче тяхното време изтича, дните им са преброени. Над тях тегнат редица недостатъци които просто няма как да бъдат отстранени. Най важния е че те ускоряват бавно и при разположение на гари през кратко разстояние парните локомотиви имат сравнително малка средна скорост. Другият голям проблем са малката издръжливост на водните котли. Работата е там, че във водата има най различни химични вещества които в съчетание с високата температура и високото налягане в котела имат силно корозивно въздействие над метала. Например силициевата киселина, алуминиевият окис, калциевият сулфат, магнезиевият карбонат и сулфат оставят по стените на котела и тръбите налеп наречен „котлен камък”. Той има ниска топлопроводимост и предизвиква прегряване на котелните стени, а освен това и загуба на топлинна енергия. Натриевият хлорид и сулфид, въглената киселина и разтворените масла пък причиняват бърза корозия.
През 50 те и 60 те години парните локомотиви бързо започнаха да се изместват от електрическите и дизеловите локомотиви, които бързо ги замениха. Първоначално парните локомотиви бяха пренасочени по второстепенни линии, след това започнаха да се използват само за маневрена служба по гарите и накрая изцяло минаха в пенсия.
Прочее парните локомотиви за разлика от електрическите са независими от външни източници на енергия. Това ги прави много ценни за военните, затова голям брой парни локомотиви се поддържат в изправно състояние за да послужат при евентуална война. Специално в България отделни парни локомотиви успяват да доживеят дори до началото на 80 те години на 20 век, когато окончателно са бракувани, а съоръженията за тяхното използване (като например водните кули), разрушени. Дори и днес обаче по някой гари все още могат да се видят, било защото са забравени, било защото са запазени като архитектурни паметници. Парни локомотиви обаче вече няма запазени и те могат да се видят единствено в музите.