Az 1940-es években Amerikában a gőzmozdony szorult helyzetbe került. Az egyre terjedő dízelmozdonyok mindenben, üzemkészségben, működési költségükben és utasbarátságukban (kevesebbet füstöltek) bizonyították jobb tulajdonságaikat a gőzösökkel szemben. A gőzös vontatás úgy próbálta megtartani a helyzetét, hogy technológiát váltott: a hagyományos, dugattyús gépek helyett gőzturbinás mozdonyokkal próbálkozott.

Címkép: 1948 márciusában, néhány perccel az után, hogy elhagyta Chicago Union Station pályaudvart, a PRR S2 osztályú, 6200-as, gőzturbinás mozdonya átcsattog a 21th Street kereszteződésen. A 278 mérföldre lévő, Ohio-béli Crestline-ba tart. Javarészt sík, egyenes vonalon fut majd, 100 mph (160 km/h) körüli sebességgel. Robert Bryson felvétele [4]-ből

A fejlesztés iránya: a turbinás gőzmozdony A XX. században a szénipar és a szenes vasúti vontatás számára a legnagyobb csalódás a dízel-villamos mozdony megjelenése és sikere volt. Ez a szénre épülő ipari lánc számára 23%-os csökkenést jelentett. Ezért nem meglepő, hogy a szénnel, mint hajtóanyaggal vontató vasutak és a szénipari vállalatok harcba szálltak a dízelesítés ellen. Ezt a harcot a vasutak és néhány más ipari egység nagyrészt magányosan vívta, de alakult egy szövetség is, a Locomitive Development Committee of Bituminous Coal Research (bitumenes szén kutató mozdonyfejlesztő bizottság). Ez a szövetség a széntüzelésű gázturbinás  mozdony fejlesztésére összpontosított.

A 40-es években nem volt más gőz alapú hajtási mód, mely annyi előnyt kínált volna, mint a turbinás hajtás. Amerikában négy vasútnak volt turbinás gőzmozdonya: a Pennsylvaniának, a Chesapeake & Ohiónak, a Norfolk & Westernnek és a Union Pacific-nek. Több terv is készült, de ezek elhaltak a technikai nehézségeken. A General Electric (GE) maga tervezett és gyártott turbinás mozdonyt, mely nagyban támaszkodott a GE villamos mozdony terveire. A Westinghouse Electric, a GE nagy konkurense a Baldwin mozdonygyárral szövetkezett.

Gőzturbinás mozdonyok a világban és Amerikában

Amerika egyáltalán nem volt első a vasúti vontatási célú gőzturbina alkalmazásában. A Deutsche Reichsbahn az 1920-as - 30-as években próbálkozott gőzturbinás mozdonnyal. Ugyanekkor a brit London, Midland & Scottish Railway jelent meg gőzturbinás mozdonnyal, amely vagy tíz éven keresztül viszonylag jól működött. Mind a német, mind a brit mozdony hagyományos erőátvitelű volt, a turbina mechanikus áttételen és hajtóelemeken keresztül forgatta a mozdony kerekeit. A General Electric mozdonya a UP számára 1938-ban az USÁ-ban a General Electric épített egy pár, 2.500 LE-s gőzturbina-villamos mozdonyt, hogy konkuráljon az Electro-Motive Division (EMD) személyvonati dízelmozdonyaival. A mozdony tengelyelrendezése 2-C+C-2, a kazánnyomása 1500 psi (104,6 atm) volt. A kazángőz turbinát forgatott, az pedig villamos generátort, és a tengelyeket a villamos mozdonyoknál használt trakciós motorok hajtották. Ezek, és a kondenzációs rendszer mind karbantartás igényes volt. A UP néhány teszt úton használta a mozdonyt, aztán bemutató túrára körbeküldte az országban, majd néhány menetrend szerinti út után visszaküldte a mozdonyokat a GE-nek.

A General Electric építette, a UP színeire festett és mozdonyszámozási rendszerébe illesztett gőzturbinás mozdony 1938 márciusában Omahában indulásra vár az első útjára John P. McGlynn felvétele [1]-ből 1943-ban a Great Northern használta őket tehervonatok gyorsítására a Cascade hegységben Wenatchee és Spokane között, majd visszaküldte a GE-nek, ahol szétvágták a mozdonyokat.

A Pennsylvania Railroad S2 osztályú, 6200-as számú gőzturbinás mozdonya Paul Ellenberger felvétele [1]-ből

A Pennsylvania a brit London, Midland & Scottish Railway vasút turbinás mozdonyának a sikerére figyelt fel. Közös tervező munka után a Baldwin mozdonygyár leszállította a Pennsynek a 6200-as gőzturbinás mozdonyt. Az eredetileg 4-8-4 (2'D2') tengelyelrendezésűre tervezett mozdonyhoz a gyár a háborús megszorítások miatt nem kapott könnyűfém anyagokat, így a mozdony súlya megnőtt, és emiatt mindkét forgóvázba be kellett iktatni még egy-egy tengelyt. A mozdony súlya 589.970 font (268 tonna) lett, kicsit nehezebb, mint a Pennsy J1, 2-10-4-es gőzöse. A turbina a Westinghouse tengeri célú turbinájának az adaptációja volt. A mozdonyba két turbinát építettek, egy nagyobbat az előre hajtáshoz és egy kisebbet a hátramenethez. A turbinák a 2. és a 3. tengelyt hajtották közvetlen, fogaskerekes áttétellel, a hajtott kerekek pedig hagyományos csatlórúddal voltak összekötve.

Hasonlóság a tengeri alkalmazású turbinákhoz

A Westinghouse ottléte nagyban segítette a turbinás gőzös fejlesztését. Akkoriban a cég a vezető gyártója volt a közlekedésben alkalmazott turbináknak. A legtöbb haditengerészeti alkalmazású turbinát a Westinghouse gyártotta. Ezek némelyike hajócsavaronként 50.000 LE teljesítményű volt. Az S2-es mozdony turbinái több szempontból is hasonlóak voltak a tengeri alkalmazásúakhoz.

A külön előremeneti és hátrameneti turbina alkalmazása a hajókon általános volt, ez tette lehetővé a legnagyobb hajtóerőt és a legegyszerűbb hajtási egységet. Az S2 előrehajtási turbinája egy Curtis impulzus-, és öt Rateau fokozatot tartalmazott. A mozdony turbináját 70 mph (112 km/h) mozdonysebességre optimalizálták.

A Pennsy a futáspróbák alatt azt mérte, hogy a mozdony erősebb, mint a hagyományos és hasonló méretű gőzmozdonyok, 40 mph (64 km/h) és afölötti sebességnél legyőzi a 6.000 LE-s dízel mozdonyegységet,  de ennél kisebb sebességnél  rengeteg gőzt és szenet fogyaszt.

A mozdonyt Chicago és az ohioi Crestline között, viszonylag egyenes és sík pályán használta, ahol a mozdony kifuthatta magát.

A Pennsylvania mozdonyának a kifejlesztése

A Westinghouse és a Baldwin 1944-ben készült el a Pennsylvania számára gyártott turbinás mozdonyával. A tervezést gyorsítandó, a turbinákat hagyományos,  de hengerek és hajtórúd nélküli gőzmozdony szerkezetbe építették. A hajtott kerekeket csatlórúd kötötte össze, a 2. és a 3. tengelyt pedig a turbina fogaskerékhajtással hajtotta. A turbinás hajtás nagyon hatékony volt földi erőművekben és hadihajókban is. Itt elérték a hajócsavar hajtásában az 55.000 LE-s teljesítményt is. Ezekhez képest az S2 fő turbinája nagyon kicsi volt.

6.900 LE-s teljesítményével egy, a Westinghouse által gyártott és kis rombolóba épített turbinához volt hasonló. Az S2 mozdony fejlesztését a háborús anyaghiány és a Baldwin nagy háborús gyártási leterheltsége késleltette, végül 1944-ben szállította le. A Pennsy vizsgálta a mozdonyt, és 1945 közepén a Chicago - Crestline vonalra osztotta be. Itt a mozdony folyamatosan, hosszú ideig nagy sebességgel vontathatott, így a jó hatásfokú üzemben működött. Négy évet járt itt.

Előre helyezett szabályzó (front-end vagy head-end throttle): a hagyományos, a gőzdómban elhelyezett szabályzóval szemben a füstszekrényen, a túlhevítő mellett van. Az 1930-as évektől használták. Az elve az volt, hogy a túlhevített gőzt szabályozza a dómban lévő nedvesgőz helyett, így a mozdony gyorsabban reagál a szabályzó állására, mivel kisebb a távolság a szabályzó szelep és a hengerek között, emellett a túlhevítő csövek mindig gőzben állnak. Egyes, a 20-as években épült mozdonyon a füstszekrény előtt egy kis, általában lapos tetejű dómot alkalmaztak. A gőzt ide vezették a túlhevítőből, és itt volt a szabályzó szelep. Az előre helyezett szabályzó a füstszekrénynél lévő borításáról ismerhető fel. A borítás levételével hozzá lehet férni a szabályzó szeleprendszerhez anélkül, hogy eltávolították volna a füstszekrényen belül a túlhevítő fej részt. Andy Sprandeo, a MODEL RAILROADER vezető szerkesztőjének magyarázata a TRAINS, Ask TRAINS rovatból

A mozdony hajtási elemei

Rajzok és képek a Classic Trains gyűjteményéből, [4]-ből

1  A fordulatszám csökkentő hajtás rajza a szabadalmi leírásból 2  A mozdony eredeti elrendezésének rajza a szabadalmi leírásból 3  Balra az előremeneti, jobbra a kisebb, a hátrameneti turbina 4  Fő hajtó fogaskerék a tengelyen 5  hajtó fogaskerék a hajtott kerékpár tengelyén 6  A 2. és a 3. tengely között elhelyezett hajtóegység 7  A turbina egység felülnézetben, balra az előre-, jobbra a hátrameneti turbina

A Baldwin munkása a hajtott kerékpár mellett Kép a Classic Trains gyűjteményéből, [4]-ből A hajtóegység már a helyén van.

A turbinás mozdony szerelése a Baldwin gyárban Kép a Classic Trains gyűjteményéből, [4]-ből

A mozdony vezetőállása Kép a Classic Trains gyűjteményéből, [4]-ből A felső, íves skálájú műszer SPEEDOMETER, a sebességmérő.

A turbinás hajtás működése

A fordulatszámot csökkentő hajtóegység nem adott irányváltási lehetőséget. A 6.900 LE-s, többfokozatú főturbina a mozdonyvezető oldalán csak előre tudta hajtani a mozdonyt, több mint 100 mph (160 km/h) sebességgel. Ekkor percenként 9000-et forgott. A fűtő oldalán az egyfokozatú hátrameneti turbina 1.500 LE teljesítményű volt, és vele a mozdony hátrafelé legfeljebb 22 mph (35,4 km/h) sebességet érhetett el. Fővonali, nagy sebességű mozdonynál a hátramenet kisebb jelentőségű volt. A turbinákhoz a gőzt hagyományos, mechanikusan mozgatott szabályzó engedte. Mindkét turbina csak egy irányba foroghatott, és egy időben csak az egyik hajthatott. Az előremeneti turbina mindig csatlakozott a mozdony hajtásához, és amikor a mozdony hátrafelé haladt, gőznyomás nélkül szabadon forgott visszafelé.

A hátrameneti turbinát előremenetben leválasztották a mozdony hajtásáról, így megakadályozták, hogy ha egy átvezető lezáró váltón át gőzt kapott volna, olyan magas fordulatszámra pörgött volna, ami károsíthatta volna. Az S2-es csatlórúdjai a hagyományos dugattyús mozdonyokhoz hasonlóan 90 fokkal voltak eltolva egymástól. A turbinás hajtás könnyebbé tette a csatlórúd kiegyensúlyozását, mivel ennél a mozdonynál nem volt egyensúlytalanságot okozó dugattyú, hajtórúd és gőzterelő tolattyú. A kisebb kiegyenlítő súlyok lehetővé tették, hogy a mozdonynak viszonylag kis, 69 hüvelykes (1.727 mm-es) átmérőjű hajtott kerekei legyenek. Így a hajtott kerékpárok 60 mph (96 km/h) sebességnél percenként 296-ot, 100 mph-nál (160 km/h-nál) pedig 493-at forduljanak.

A turbina a forgatónyomatékát egy kétfogaskerekes hajtótengelynek adta át, ami a tengeri alkalmazásoknál is gyakori megoldás volt. A tengely másik végéhez leválasztón keresztül csatlakozott a hátrameneti turbina. A két hajtókerék áttételező fogaskerekeken keresztül hajtotta meg a mozdony 2. és 3. hajtott tengelyére erősített hajtó fogaskerekeket. Ezzel a felépítéssel a turbina két úton adja át a forgatónyomatékát a mozdonynak: egyik hajtó fogaskeréken át a 2. tengelynek, a másikon a 3. tengelynek. A hajtóműnek a hajtott kerekeknél a központi elhelyezése a súlyeloszlás miatt jó hatással volt a mozdony tapadására, és csökkentette a kerékpördülési hajlandóságát. A mozdony négy-négy hajtott kerekét csatlórúd kötötte össze, így egységként vettek részt a mozdony hajtásában, akkor is, ha csak a két belső, a 2. és a 3. kereket hajtotta a turbina. A 2. és a 3. tengelyt hajtó gépezetet egy zsír kenésű hajtásházban helyezték el, ezt a tengelyek tartották, hasonlóan, mint a villamos mozdonyoknál.

Rajz [4]-ből

Turbina-specifikus problémák a gőzös üzemben

A Pennsy S2 osztályú mozdonyánál probléma volt, hogy hogyan tereljék a turbina kipufogó gőzét, hogy elegendő huzatot keltsen a tűzszekrényben, és elegendő füst-kifúvó erőt a füstszekrényben. A dugattyús gőzmozdonyoknál a hengerekből kipufogó gőz elegendő energiát hordoz, hogy a fenti két funkciót ellássa. A turbinából távozó "fáradt gőz" minimális energiát hordoz. Ha alacsony szabályzó állásnál a turbinából kiáramló gőzt olyan kéményen bocsátották volna ki, amelyik kémény elegendő méretű, hogy a teljes szabályzó nyitáskor keletkező gőzt kiengedje, az a gőz nem keltett volna elegendő huzatot és füstemelő erőt.

A megoldást ifjú Charles Kerr adta. Négykéményes egységet tervezett, mely kéményeit a szabályzó által állított pillangószelepek nyitották-zárták. Induláskor és kis sebességen az S2 egyetlen kéménye volt nyitva, melyben nem volt pillangószelep. A többi kémény pillangószelepe sorban nyitott, ahogy a sebesség és a vonóerő nőtt. A pillangószelepek rudazatos nyitó-záró mechanizmusa viszonylag egyszerű volt, és a gőz útjának a kilépő oldalán helyezték el. Nem gyakorolt számottevő fojtó hatást a turbina működésére. A mozdony működése közben úgy találták, hogy kémények lezárása ellenére a kiáramló gőz nem gyakorol elegendő füst kifúvó hatást, ezért az S2-est kétfajta füstterelővel is felszerelték

A Pennsylvania S2 osztályú turbinás mozdonya 1945 augusztusában a Broadway Limited expresszel az indianai Warsaw-nál kelet. New York felé tart Ira H. Eigsti felvétele [4]-ből A képen a mozdony azt teszi, amire való és a legjobban tudja: hosszú úton, megállás nélkül nagy sebességgel voltat. A mozdonyon látható az utólag felszerelt füstterelő.

A mozdony és a turbina vezérlése

Ha a Pennsylvania S2 osztályú mozdonya turbinájának és a mozdonynak minden funkcióját kézzel, a mozdonyvezetőnek kellene állítania, nagyon sok dolga lenne. Irányváltáskor az egyik turbina bemenetét le kellene zárnia, a másikét kinyitnia, a hátrameneti turbina szétkapcsolóját kezelni (zárni, ha hátramenet a szándék), beállítani a szabályzóval a kellő gőz mennyiséget, vezérelni a kémények nyitását a terhelés és a sebesség függvényében. Ezeket pedig a mozdonyvezető fő funkciói mellett kellene tennie, amik a mozdony mozgásának ellenőrzése és a biztonsági szabályok betartása. Ez egyszerűen túl sok egy embernek. A fűtő sem vonható be ebbe a tevékenységbe, mert a vezetőálláson nagy a zaj a turbina működése és az áramló gőz miatt. A problémát Harry C. May oldotta meg, 1944-ben szabadalmat kapott "Folyamatos nyomásvezérlő rendszer több turbinás gépezetre" című munkájára. A rendszer célja az indulás, az előre- és a hátramenet, a vonóerő és a sebesség szabályzása mindkét irányba. Emellett megakadályozta a hátramenet beállítását, amíg a mozdony teljes mértékben meg nem állt.

A rendszer kezelte a gépezet és a futómű kényszerkenőjét, és lezárta a hajtást, ha leállt a kenés. Hogy ezeket a funkciókat elláthassa, csatlakozása volt az S2-es mozdony levegő rendszerével, a gőzszabályzó rendszerrel, a kenő rendszerrel és a saját hidraulikus és pneumatikus vezérlő köreivel. Ez a komplex vezérlő a korabeli elektromechanikus technológia mesterdarabja volt. Minden funkcióját egyetlen vezérlő kar irányította, a vezetőállás fényképen a mozdonyvezető rajta tartja a kezét. A szabályzó kar működése és pályája megakadályozta, hogy a mozdonyvezető előremenet közben hátramenetet állítson, sötétben, vagy mert beakadt a köpenye mandzsettája a karba. Elektromágnes működtetésű szelepek és szervómotorok segítségével, kétállású és forgó kapcsolók állították be a mozdony működési módját, úgy, hogy a tervezők a mozdonyon a hagyományos szabályzó elemeket használhatták, nem volt szükség új elemekre.

A mozdony adatlapja:

Mind a Baldwin, mind a Pennsy büszke volt a turbinás mozdonyra, hirdetést tett közzé róla. Preston Cook gyűjteménye, [4]-ből A hirdetés a Baldwin magazinban kijelentette: Valami új a mozdonyok között, és hajtása, mint egy csatahajóé

Preston Cook gyűjteménye, [4]-ből

Egy 1945-ös hirdetésében, mint a Baldwin, a PRR is haditengerészeti hajókkal hasonlította össze az S2-es mozdonyt: Ugyanaz a hajtóerő, mely a nagy hadihajókat is hajtja - turbinás hajtás!

Vége az első résznek. Jön: a 2. rész, benne a Pennsy S2 osztályú mozdonyának a teljesítménye szolgálatban, összehasonlítása az EMD gyártmányú, E7-es dízelmozdonnyal és a Chesapeake & Ohio M-1-es, gőzturbinás mozdonnyal.

Források: George H. Drury (compiled): Guide to North American Steam Locomotives [1] William D. Middleton, George M. Smerk, and Roberta L. Diehl: Encyclopedia of North American RAILROADS [2] A TRAINS 1944 - 1950-es számai [3] A Classic Trains 2012. tavaszi száma [4]

Tomori László         2023. február 6.