ТЕПЛОВОЗЫ. Вехи непройденного пути. Издание второе, переработанное и дополненное

Пневмолокомотив Портера, разработанный для работы на поверхности, о чём свидетельствует его большая будка. Дата неизвестна.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

На будке сбоку написано «ВМС США». Этот рисунок является довольно загадочным. Локомотив на сжатом воздухе имело бы смысл использовать в арсенале ВМФ по соображениям безопасности, но подъёмный кран с другой стороны состава похож на паровой, с выступающей из крыши трубой.

В 1890 г. компания Генри Кирке Портера построила свой первый пневматический локомотив для угольной шахты в штате Пенсильвания. Воздух, используемый вместо пара для приведения в действие поршней, запасался в двух резервуарах. Это позволило использовать локомотив внутри шахт без дыма от горящего угля, а также устраняло опасность, создаваемую паром высокого давления. Портер построил более 400 пневмолокомотивов для использования в шахтах, на заводах и уличных железных дорогах Нью-Орлеана. Строились пневмолокомотивы также другими фирмами, но к 1910 г. компания Портера владела 90% рынка. Компания H K Porter Company в Питтсбурге купила права на американские патенты, полученные Ч. Ходжесом, и в период 1896 – 1930 гг. продала сотни локомотивов для работы на угольных шахтах в восточной части Северной Америки. Пневмолокомотивы широко использовались в газовых шахтах, где постоянно существовала опасность взрыва. Вентиляция шахты усиливалась воздухом, остывающим при расширении в цилиндрах локомотива.

Как правило, локомотивы компании Портера имели баллоны с запасом воздуха давлением 50 – 80 ат, которое редуцировалось до 7 – 10 ат при поступлении в цилиндры. Воздух сжимался в многоступенчатых компрессорах и распределялся по трубам на зарядные станции, расположенные вдоль маршрутов осуществления перевозок. Портер утверждал, что операция заправки может быть легко завершена за 1,5 мин., при этом воздушный клапан открыт только в течение 40-50 с. Воздушные резервуары были испытаны давлением, на 30% превышающим их рабочее давление.

Известен вариант пневматического локомотива троекратного расширения компании Портера по патенту Ходжеса. Запас сжатого воздуха хранился при давлении 150 ат, которое значительно выше обычно используемого. Можно было бы предположить, что троекратное расширение необходимо для нормальной эксплуатации системы со столь высоким давлением. Но, во-первых, это давление уменьшалось до 25 – 30 ат с помощью редукционного клапана и, во-вторых, дополнительно снижалось перед цилиндром высокого давления, который имел предохранительный клапан на 15 ат. Давление в цилиндре среднего давления неизвестно, а цилиндр низкого давления имел предохранительный клапан на 5 ат. Все известные ссылки на построенные пневмолокомотивы Портера указывают, что они были двукратного расширения, и поэтому в настоящее время не ясно, использовалось ли в действительности троекратное расширение на практике. Скорее всего, этот проект реализован не был.

Давление 150 ат – чрезвычайно высокое, учитывая, что у паровозов оно редко превышало 17 ат; вероятно поэтому локомотив имел три ёмкости для хранения запаса сжатого воздуха как более экономичный способ держать такое высокое давление. Можно только гадать о безопасности. Конечно, не было ни огня, ни накипи – факторов, вызывающих эрозию металла, но, несмотря на это, страшно представить, что было бы, если хотя бы один из баллонов взорвался. Хотя каких-либо упоминаний о подобных случаях не найдено. Было весьма важно проверять внутреннюю часть ёмкости для хранения запаса сжатого воздуха на предмет коррозии, вызываемой капельной влагой; следует обратить внимание, что все резервуары поэтому имеют инспекционный люк на одном конце.

У другого пневмолокомотива компании Портера, №104, резервуар с запасом сжатого воздуха имел давление 50 ат, а двигатель рассчитан на 17 ат. Подогреватель находился на противоположной стороне резервуара, конус выхлопного диффузора эжектора виден в правом верхнем углу над люком баллона.

Обращает на себя внимание большое количество очень крупных заклёпок, требуемых для скрепления резервуара с запасом сжатого воздуха, по сравнению с паровозами, которые работали на гораздо более низком давлении. Резервуар с рабочим давлением двигателя выполнен в виде длинного тонкого цилиндра, а не более компактного бака. Скорее всего, это сделано потому, что длинный цилиндр удобно выполнить из стальной трубы стандартной длины, в то время как короткий бак будет испытывать гораздо большее усилие от стягивающего обруча и необходимо будет применять тяжёлые заклёпки, как для основного резервуара. Длинный цилиндр также имеет бóльшую площадь поверхности для поглощения тепла из окружающей среды, которая нужна для нагрева воздуха после его охлаждения при расширении.

Ещё один сохранившийся пневмолокомотив Портера. Дата неизвестна.

Фото из коллекции Duane Overholser of Sheridan, OR.

Этот локомотив находится в детском парке «Storybook Island» в Рапид-Сити, Южная Дакота. Отсутствуют признаки оборудования двукратного расширения. Здесь также много очень больших заклёпок. Похоже, что отсутствуют некоторые детали и приспособления, и покрашен локомотив не очень хорошо.

Локомотив №104 по времени относится к 1910 г. Он использовался в одной из угольных шахт в Кэнморе, Альберта, и демонстрируется в музее в Сандоне, Британская Колумбия, Канада. H K Porter Company отмечала, что подогрев воздуха перед подачей во вспомогательный резервуар повышал экономичность локомотива на 35 – 50% («Light Locomotives» by H.K. Porter, 1900).

Пневматический локомотив Портера №27 в Золотом руднике Хамстэйк, Южная Дакота. Дата неизвестна.

Фото с сайта «RailroadPix.Com». Автор Майк Декер.

Есть ещё пневмолокомотив, работавший в шахте Хамстэйк. У него два резервуара с запасом сжатого воздуха давлением 70 ат расположены рядом, скорее всего потому, что при этом уменьшаются напряжения в металле от обруча и поэтому изготовление менее затратное. Выходной диффузор подогревателя с капюшоном над ним расположен в передней части локомотива. Подогреватель установлен между двух резервуаров с запасом сжатого воздуха ниже них. Даже несмотря на то, что представляется более реальным использование двукратного расширения воздуха вместо троекратного, непонятно, почему два видимых цилиндра тандем имеют одинаковый диаметр; возможно, это – сторона низкого давления, и тандемные цилиндры использовались, чтобы увеличить общую площадь поршней, вписавшись в габарит.

Сохраненный локомотив Портера. 1928 г.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Это сохранившийся образец более поздней разработки Портера. Был куплен в 1928 г. и оставался на службе до 1961 г. в шахте Хамстэйк №1A. Давление сжатого воздуха, запасаемого в резервуаре объёмом 4 м3, составляло 70 ат. Масса 12,2 т, длина 7 м, ширина 1,6 м, высота 2,1 м. Выставлен для обозрения в шахте Хамстэйк в Южной Дакоте.

Пневматический локомотив Харди. Локомотив предназначался для работы на надземной Манхэттенской железной дороге в Нью-Йорке, где отсутствие сажи и запаха дыма являлось бы большим преимуществом. Давление в баллонах составляло 140 ат. Вот что писал об этом локомотиве журнал «Street Railway Journal» в мае 1897 г.:

«На сопроводительной гравюре показан новый локомотив сжатого воздуха, недавно построенный американской компанией Air Power Company для Манхэттенской надземной железнодорожной компании в Нью-Йорке. Локомотив будет сдан в эксплуатацию в течение нескольких дней в подразделение Шестой авеню этой компании и будет курсировать между Пятьдесят восьмой улицей и Ректор-Стрит. Колёса имеют 42 дюйма в диаметре; размеры цилиндра 13 дюймов в диаметре на 20 дюймов хода, и зарядный резервуар имеет вместимость 175 куб. футов. Это, по оценкам, позволит локомотиву совершать поездку туда и обратно между Ректор-Стрит и Пятьдесят восьмой улицей с 20-процентным запасом. Резервуар состоит из труб Маннесмана диаметром 9 дюймов, и имеющих различные длины, от 14 футов до 20 футов 6 дюймов. Толщина труб 9 дюймов. Трубы прокатаны из твёрдых слитков в соответствии с регулярным процессом Маннесмана».

«Воздух хранится в резервуаре на 2000 фунтов давления. Он используется в цилиндре на 200 фунтов давления с отсечкой от 10% хода до 5% хода. При прохождении из резервуара в цилиндр он протекает через обычный подогреватель с горячей водой и поступает в цилиндр при температуре от 200 до 300 градусов. Вода поддерживается нагретой с помощью небольшого угольного огня. Но топлива для его поддержания требуется немного, что становится понятным, когда говорится, что на локомотиве размещается только обычный бункер с углём. Новой особенностью локомотива, как будет видно, является расположение цилиндра. Он находится непосредственно под кабиной, позволяя иметь короткий трубопровод для нагретого воздуха. Клапанный механизм является чрезвычайно простым, что можно увидеть на гравюре под кабиной. Он управляется колесом, которое можно увидеть через окно кабины. Масса полностью экипированного локомотива составляет 47000 фунтов. Зарядная станция будет расположена на Гринвич-стрит,100».

Пневмолокомотив Портера с тремя баллонами. Этот локомотив-гигант типа 0―2―0 был построен для компании New Orleans Sewerage & Water Board в 1915 г. Он сохранён, но его текущее местоположение неизвестно. Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Обращает на себя внимание большой вертикальный выхлопной рожок подогревателя. Также виден ящик, установленный на верхнем баке, похожий на бункер для песка, с целью улучшения сцепления. Перед будкой машиниста виден второй такой же.

Пневмолокомотив Портера с тремя баллонами. Дата неизвестна.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Эта фотография показывает тот же самый локомотив, но в другом месте. Обращает на себя внимание то, что ближний резервуар короче остальных, чтобы увеличить пространство в кабине машиниста. Возможно, маленький цилиндр, находящийся между резервуарами, является вспомогательным резервуаром для воздуха, имеющего рабочее давление10.

Пневмолокомотив Портера №98.

Его технические данные не приводятся.

Фото из Технической энциклопедии (Cyclopedia of Engineering), т. 4, Американское Техническое Общество, Чикаго, 1910.

Локомотив Портера для компании H. C. Frick Coke Co. Дата неизвестна.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Он похож на локомотив для шахты Хамстэйк. Имеются два цилиндра тандем одинакового диаметра. Выпускное отверстие рожка подогревателя видно в передней части локомотива между двумя резервуарами. Х. К. Фрик покупал пневматические локомотивы также у компании Baldwin.

Пневмолокомотив Портера класса B-P-O. 1914 г.

Этот локомотив компаунд мог быть в четырёх вариантах, названных PEBLOW, PEBMUX, PEBNAZ и PEBREC, которые являются словами телеграфного кода. Каждая версия могла быть оснащена воздушными баками различной вместимости. Давление зарядки для каждого варианта составляло 50 – 80 ат. Есть также упоминание о вспомогательном резервуаре с давлением 17 ат; он был помещён между редукционным клапаном и регулятором, чтобы стабилизировать поток воздуха. Его не видно на этой фотографии. Подогреватель со своим диффузором эжектора, который виден в левом верхнем углу указывающим вверх, расположен на воздушном баке сбоку от него.11

Пневмолокомотив Портера класса B-PP-O. 1914 г.

Этот локомотив компаунд изготавливался в четырёх размерах, названных PECRAB, PECSEC, PECTED и PECVOF. Все они работали при давлении 50 – 80 ат в двух основных баках, расположенных рядом. Два тандемных цилиндра находятся на стороне низкого давления, видны внизу справа. Один цилиндр при той же самой поршневой площади, по-видимому, чрезмерно увеличил бы общую ширину локомотива.

Пневмолокомотив Портера класса C-PP. 1914 г.

Это версия с тремя осями локомотива B-PP-O. Здесь виден только один бак, а за ним расположен второй. Зарядное давление составляло от 50 до 80 ат. Во вспомогательном резервуаре давление поддерживалось на уровне 17 ат.

Пневмолокомотив Портера класса B-PPP и B-PP. 1914 г.

Этот тип локомотива уже был показан выше; построен для New Orleans Sewerage & Water Board в 1915 г. Так как он не предназначался для шахт, его общая ширина не так важна; таким образом, единственный большой цилиндр мог находиться на стороне низкого давления. Большой рожок эжектора виден между двумя нижними баллонами. Труба между верхним и нижними главными баллонами могла быть вспомогательным резервуаром, хотя это сомнительно, учитывая её небольшой размер. Зарядное давление составляло 50 – 80 ат, во вспомогательном резервуаре – 17 ат.

Пневмолокомотив Портера класса B-P-T. 1914 г.

Из-за ограничений по высоте и ширине большой объём воздуха мог быть запасён на локомотиве реальной длины (для увеличения пробега без подзарядки) в прицепляемом тендере, несущим второй воздушный баллон. При этом вес распределялся на четыре оси, а не на две. Эта идея уже использовалась в некоторых локомотивах Сен-Готардского тоннеля в 1875 г.

Пневмолокомотив Портера класса B-PP-T. 1914 г.

У этого шахтного локомотива были внутренние цилиндры; объединение с тендером могло встретить серьёзные ограничения по ширине.

Пневмолокомотив Портера класса C-5Ps-O. 1914 г.

Локомотив имел четыре воздушных резервуара, два наверху и два пониже. Труба подогревателя с рожком эжектора находилась сбоку и связывала основание и два резервуара, которые видны позади неё. Рабочее давление этого локомотива было от 120 до 155 ат. Резервуары сделаны из твёрдой стали, без заклёпок, что делало их более прочными и надёжными. У них также меньший диаметр, чтобы снизить напряжение в металле обруча. Доступность безопасных резервуаров, работающих при высоком давлении, привела к их использованию на других локомотивах, таких как Харди, симплонские локомотивы и современные пневмолокомотивы.

Пневматический локомотив Харди. 1897 г.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

То, что выглядит как котёл, всего лишь обшивка, закрывающая батарею баллонов со сжатым воздухом. Бак для горячей воды, нагреваемый углём, использовался для предварительного нагрева запаса сжатого воздуха перед использованием. Дымоход виден на левой стороне кабины. На пластине, прикреплённой к обшивке резервуаров, написано «Rector St».

Пневматический локомотив Диксона. Построен в 1899 г. Давление в резервуаре с запасом сжатого воздуха 42 ат, рабочее давление 10,5 ат. Объем бака 4,8 м3, масса 16 т.

Разница между давлением в резервуаре и рабочим давлением указывает на то, что между резервуаром и цилиндрами двигателя стоял редукционный клапан. Давление 42 ат является гораздо более высоким, чем обычно используется в паровых котлах, где оно редко превышает 17 ат. Вот почему резервуар этого локомотива, в отличие от парового котла, обит очень большими заклёпками. Это характерно для пневматических локомотивов.

Локомотив Харди в частично собранном виде.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Показано, как баллоны со сжатым воздухом скомпонованы вместе. Видно, что ведущая ось сильно перегружена. Кажется маловероятным, что вес деревянной будки мог бы сбалансировать вес всех этих стальных баллонов, нависающих над ведущей осью.

Пневматические локомотивы компании Baldwin. Компания Baldwin очень хорошо известна как создатель паровозов, но она строила и пневматические локомотивы. В 1897 г. С. М. Вокленом, главным инженером компании, был разработан пневмолокомотив компаунд типа 0―2―0 для компании Philadelphia & Reading Coal & Iron Company, которая хотела использовать его в своей угольной шахте на Аляске, но имеется предположение, что он работал в Пенсильвании, а не на холодном севере. Локомотив получился удачным, и угольная компания заказала ещё три таких локомотива.

Из статьи о локомотиве Харди, помещённой в журнале «Railway and Locomotive Engineering», т. 10, №5, май 1897, можно узнать, что полный заряд воздуха весил более 1,1 т.

Отмечается, что вода, испаряясь в воздухоподогревателе, составляла половину объёма смеси воздуха и пара. Такие системы относятся к паровоздушным.

Конструкции локомотивов Baldwin выглядят вполне стандартными по сравнению с оригинальной конструкцией системы подогрева, используемой компанией Портера. Насколько сейчас известно, компания Baldwin никогда не пыталась применить ничего подобного, вероятно, потому, что разработки компании Портера были защищены патентами Ходжеса.

Имеются сведения о некоторых пневмолокомотивах, построенных заводом Baldwin. Один из них – №11. Воздух хранился в резервуарах под давлением 42 ат, а двигатель рассчитан на давление 7 ат. Локомотиву требовался вертикальный зазор 1,5 м и 1,8 м в ширину для прохождения кривых 9-метрового радиуса. Поскольку виден только один цилиндр, то, похоже, что у этого локомотива двигатель простого расширения.

Вид сбоку локомотива Харди.

Фото из журнала «Street Railway Journal», май 1897.

С помощью небольшой угольной топки воздух до подачи в цилиндры, нагревался. Это, должно быть, несколько подрывало все усилия, направленные на то, чтобы покончить с дымом и шлаком. На передней части крыши кабины виден дымоход. На боковой пластине написано «Rector St».

Локомотив №41 – предназначен для работы на метровой колее. Считается, что это локомотив компаунд с цилиндром высокого давления диаметром 95 мм, низкого давления – 152 мм и ходом поршня 254 мм. Диаметр движущих колёс 610 мм. Один резервуар короче другого, чтобы иметь больше места в будке машиниста. Локомотив оборудован предупредительным гонгом. Заводской номер локомотива 17857 06—00. Данных о давлении в резервуарах и двигателе нет.

Другой вид локомотива Харди сбоку. Он установлен на транспортёр,

который перемещается в сторону автомобиля, чтобы они могли

находиться как можно ближе друг к другу.

Рисунок с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Пневмолокомотив типа 0―3―0. Построен для угольной

промышленности локомотивостроительным заводом Диксона в

Скрэнтоне, Пенсильвания, Северная Америка. 1899 г.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Пневматический локомотив, построенный компанией Baldwin для P&RCI. Дата неизвестна.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Здесь, судя по надписи на резервуаре, представлен один из локомотивов, принадлежащих компании Philadelphia & Reading Coal & Iron Company. Он похож на локомотив компаунд с большим цилиндром низкого давления, который расположен над меньшим цилиндром высокого давления с двигающимися вместе поршнями. Клапанная коробка находится выше цилиндра низкого давления. Обращают на себя внимание рёбра на блоке цилиндров, предназначенные для поглощения тепла из окружающей среды, чтобы уменьшить охлаждение воздуха при расширении.

Пневматический локомотив, построенный компанией Baldwin для P&RCI. Дата неизвестна.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Предположительно это один из подземных локомотивов, принадлежавших компании Philadelphia & Reading Coal & Iron Company. Обращают на себя внимание необычные противовесы с двумя секциями, встроенные в колёса. Машина находится в плачевном состоянии – отсутствует клапанная коробка над цилиндрами.

В журнале «American Engineer and Railroad Journal» приводятся сведения ещё об одном локомотиве, построенном на заводе Baldwin. Ниже показан его схематический чертёж. Воздухоподогреватель запатентован Вокленом. Сжатый воздух хранился во множестве цилиндров маленького диаметра, как и на локомотиве Харди, а не в больших резервуарах. Есть опасение, что использование множества маленьких цилиндров, а не одного или двух больших резервуаров, приводило к неэффективному использованию металла. Редукционный клапан перед цилиндрами пропускал воздух в большой цилиндр, расположенный над рамой и являющийся воздушным ресивером, окружённым цилиндрическим барабаном с горячей водой. Часть воды распылялась в центральный воздушный ресивер для лучшего нагревания и способствовала смазке цилиндров. Представляется, что для этого барабан с горячей водой должен находиться под давлением воздуха до редукционного клапана. Горячая вода подавалась из внешнего источника, и это было серьёзным недостатком, поскольку её надо было часто менять – вероятно, намного чаще, чем должны были заряжаться воздушные резервуары. Отработавший воздух выпускался в трубу, как на паровозах.

Пневматический локомотив, построенный для компании Ashland Coal & Iron Railway Co. локомотивостроительным заводом Baldwin

в Филадельфии. Дата неизвестна.

Фото с сайта «The Self Site: Unusual Steam Locomotives».

Имелось три резервуара для запаса сжатого воздуха. Видны только два; третий резервуар меньшего размера установлен внутри рамы. Один из двух верхних резервуаров короче другого, чтобы оставить больше места для очень тесной будки. Похоже, что концы резервуаров вогнуты внутрь для лучшего сопротивления внутреннему давлению.

Пневматический локомотив, построенный заводом Baldwin