Höyryvedon kustannukset dieseleihin verrattuna

Ville O. Turunen · 25 Tammikuu 2007

Arvoisat keskustelijat, voitte onnitella itseänne, nimittäin nyt lopultakin oivalsin, mistä tässä kaikessa on kyse. Sivuuttaen tekniset yksityiskohdat olennaista on, että höyryveturin kattilassa (onko termi oikein?) on paineistettua höyryä, mikä luonnollisesti sisältää energiaa ja johtuen mäntäkoneen toiminnasta voidaan tätä energiaa ottaa ulos nopeammin kuin tulipesä kehittää uuttaa energiaa paineiseen höyryyn.

Ja näin ollen avainkysymys on, kuinka kauan höyryveturin voi olettaa ylläpitävän sanotaan nyt vaikka kuusinkertaista hetkellistä tehoa verrattuna jatkuvaan maksimitehoon. Ja tämä taasen pohjimmiltaan riippuu siitä, kuinka paljon höyryssä on energiaa, sillä teho määritelmällisesti kertoo kuinka nopeasti energiaa kulutetaan.

Asia olisi tietenkin laskettavissa, jos minulla olisi tiedossa kuinka suuri höryn tilavuus ja paine jossain höyrykoneessa on. Mutta jonkinlaista osviittaa saadaan, kun muistetaan, että höyryveturia pitää lämmittää ennen käyttöönottoa ainakin puolisen tuntia. Ja tämä siksi, että kattilan paine saadaan nostettua riittäväksi. Tästä arvioisin, että ekstratehoa voidaan ylläpitää ajan, joka on paremmin laskettavissa minuuteissa kuin sekunneissa, mutta joka ei missään tapauksessa ole puolta tuntia. Huomautus: arvio on jokseenkin karkea.

PNu · 25 Tammikuu 2007

Ville O. Turunen sanoi:
Tästä arvioisin, että ekstratehoa voidaan ylläpitää ajan, joka on paremmin laskettavissa minuuteissa kuin sekunneissa, mutta joka ei missään tapauksessa ole puolta tuntia. Huomautus: arvio on jokseenkin karkea.

Minä muistelen nähneeni kirjallisuudessa arvoja, että höyryveturia voitaisiin ylikuormittaa luokkaa 20-30 % 5 min ajan. Jos veturista kuitenkin otetaan irti kolminkertainen teho jatkuvaan tehoon verrattuna ja vielä maksimitäytöksen aiheuttamat häviöt huomioidaan niin siinä tuskin puhutaan minuuteista. Kymmenistä sekunneista korkeintaan, jos niinkään pitkistä ajoista.

Junantuoma · 25 Tammikuu 2007

Tämä on aiheeltaan erittäin mielenkiintoinen keskustelu, mutta mennyt vähän turhan epitaksiaaliksi. Näin välihuutona ehdotankin että argumentit esitetään ranskalaisn viivoin, ilman henk.koht. kommentointia.

Compact · 25 Tammikuu 2007

Antero Alku sanoi:
Sähköä tuotetaan maailmassa aika lailla höyryvoimaloissa eli höyryvoimaprosessilla sen eri muodoissa. Silloin kun sähköveturi käyttää höyryvoimalaitoksen tuottamaa sähköä, se on perimmältään höyryveturi. No, sähköverkossahan ei oikein erota, mistä se sähkö tulee. Mutta esimerkiksi tekemällä sopimus Helsingin energian kanssa operaattori ajaa sähköveturinsa höyryvoimalla. Tjaa, Helsingin energialla taitaa kuitenkin olla osuuksia mm. Teollisuuden voimasta ja ehkä sellaisistakin yhtiöistä, joilla on vesivoimaloita, joten...

Helsingin raitiotiet ja metro saavat siis sähkönsä höyryvoimalasta. Vieläpä kivihiiltä polttamalla tuotetusta.

Antero Alku sanoi:
En ajatellut, että voimalaitos pyörii yksinomaan sähköveturia varten. Olihan sähkövedon alkuaikoina toki niinkin. Rautatieyhtiöillä oli omia voimaloita.

Esimerkiksi Helsingin Raitiotie ja Omnibus-Osakeyhtiöllä oli alkujaan oma höyryvoimalaitos Hakaniemessä. Yöksi raitioliikenteen seisahduttua voima-asemalla kytkettiin virta pois ajojohdoista.

Ville O. Turunen · 25 Tammikuu 2007

PNu sanoi:
Minä muistelen nähneeni kirjallisuudessa arvoja, että höyryveturia voitaisiin ylikuormittaa luokkaa 20-30 % 5 min ajan. Jos veturista kuitenkin otetaan irti kolminkertainen teho jatkuvaan tehoon verrattuna ja vielä maksimitäytöksen aiheuttamat häviöt huomioidaan niin siinä tuskin puhutaan minuuteista. Kymmenistä sekunneista korkeintaan, jos niinkään pitkistä ajoista.

No tästä on turha tapella, asia pitäisi laskea. Itse en tunne höyryvetureideden mekaniikkaa siinä määrin, että siihen pystyisin, mutta sen sijaan hetken mietittyäni huomasin, etta jokseenkin pelkistetyn laskun pystyy tekemään: Oletetaan aluksi, että höyrun energiasta E voidaan hyödyntää tietty osuus a, jolloin käytettävissä oleva energia on Ea. Oletetaan, että tätä energiaa käytetään t minuuttia, jolloin saatu lisäteho T_l = Ea/t. Ajatellaan sitten, että kattilaa lämmitettäessä käytetään täyttä lämmitystehoa, jolloin E = hT, missä h on lämmitysaika minuutteina ja T veturin keskimääräinen maksimiteho. (Huomatkaa, että tehohukkaa höyryn keittämisessä ei tarvitse huomioida, koska käsittelemme koko ajan veturin tehoja, ei tulipesän. Jolloin myös tässä laskussa höyryn energia on nimenomaan hyödynnettävissä oleva energia.) Siispä jos veturia käytetään hetkellisesti k-kertaisella teholla, saadaan kT = T + hTa/t, mistä voidaan ratkaista t: t = ha/(k-1).

Tällainen kaava ei tietenkään kelpaa kuin vain kokoluokan katsomiseen, sillä siinä ei ole huomioitu mahdollisia uusia tehohävikkejä yms. Se antaa teoreettisen ylärajan, kuinka kauan ylinmääräistä tehoa voidaan ylläpitää. Siispä ehdoton maksimi vaikkapa juuri tapauksessa kolminkertainen hetkellinen teho saadaan olettamalla yläkanttiin, että a = 1/4 ja h = 60 min, jolloin t = 7,5 min. Alaraja taas olettamalla a = 1/20 ja h = 15, jolloin t = 22,5 sekuntia.

Siinäpä se. Itse luvut voivat olla mitä sattuu, mutta kertaluokat lienevät oikeita, puhumme siis joistain minuuteista. Siis sillä edellytyksellä, että ekstratehojen käyttö ei lisää merkittävästi energiahukkaa.

Tämän pitemmälle en itse pääse.

Antero Alku · 25 Tammikuu 2007

PNu sanoi:
Sähköveturi kylläkin voi ylittää jatkuvan tehonsa ja toisinaan jopa reilusti. Siksi sähkövetureille ilmoitetaankin yleensä sekä jatkuva teho että tuntiteho. Esim. Sr2:n jatkuva teho on 5000 kW ja tuntiteho 6000 kW.

En tiedä miten sähköinsinöörit ajattelevat, mutta tuntiteho ei minun mielestäni kuvaa hetkellistä tehoa. Tunti on aika pitkä hetki.

Sähkömoottorissa "ylikuormitus" tarkoittaa sitä, että moottoriin syötetään virtaa enemmän kuin moottorin hukkalämpöä kyetään johtamaan moottorista pois. Jos sähkömoottorista todellakin halutaan erittäin kovia hetkellisiä tehoja (sekunteja tai minuutteja), jatkuva teho voidaan ylittää reilustikin. Mutta usein tämä ei ole mahdollista siksi, että sähköveturissa hajoaa jokin muu. Esimerkiksi Sr1:n herkkä paikka lienevät päätyristorit.

Pari esimerkkiä vielä sähkömoottoreista.

Autojen starttimoottorit ovat tyypiltään "ylkuormitettuja" sähkömoottoreita. Ne on suunniteltu käytettäväksi vain muutamien sekuntien ajan, joten kokoonsa nähden niihin syötetään tavattoman suurta tehoa.

HKL:n lisäpalan saanut nivelraitiovaunu 80 on päätynyt "pysyvään" ylikuormaan. Kun vaunusta tuli raskaampi, moottoritehoa tarvitaan lisää. Niinpä moottoreita ajetaan nyt suuremmalla virralla. En tiedä, mitä moottoreille on tehty vai onko tarvinnut tehdä yhtään mitään.

Dr15-veturissa ratamoottoreita ryhdyttiin käyttämään korkeammalla virralla kuin Dr12-veturissa käytettiin, kun Dr16:n moottorikin oli tehokkaampi. Dr15 hanke kaatui osittain tähän. Ratamoottorit eivät kestäneet vaan paloivat (siis ylikuumenivat ja vaurioituivat). Päämoottorin lisäksi Dr15-saneeraus olisi siten edellyttänyt myös ratamoottoreiden uusimista. Sitä ei pidetty enää taloudellisesti järkevänä.

PNu sanoi:
Sähköveturin suuri etu on nimenomaan ylikuormittamisen mahdollisuus. Dieselvetureilla sitä ei ole moottorin puolesta lainkaan (voimansiirron osalta kylläkin voidaan käyttää hetkellisesti jatkuvaa vetovoimaa korkeampia arvoja) ja höyryvetureillakin vain niukasti.

Pidän kylläkin höyryveturin ylikuormittamismahdollisuutta aivan ylivoimaisena, jos voidaan puhua siitä, kuinka moninkertainen teho saadaan.

Antero

Antero Alku · 25 Tammikuu 2007

Ville O. Turunen sanoi:
Arvoisat keskustelijat, voitte onnitella itseänne, nimittäin nyt lopultakin oivalsin, mistä tässä kaikessa on kyse.

Kiitos onnitteluista. Lienemme molemmat siis melkoisia taulapäitä kirjoittajina, koska vasta nyt joku muu ymmärsi, mistä on kyse.

Ville O. Turunen sanoi:
Sivuuttaen tekniset yksityiskohdat olennaista on, että höyryveturin kattilassa (onko termi oikein?) on paineistettua höyryä, mikä luonnollisesti sisältää energiaa ja johtuen mäntäkoneen toiminnasta voidaan tätä energiaa ottaa ulos nopeammin kuin tulipesä kehittää uuttaa energiaa paineiseen höyryyn.

Kyllä höyryveturissa on kattila.

Ville O. Turunen sanoi:
Ja näin ollen avainkysymys on, kuinka kauan höyryveturin voi olettaa ylläpitävän sanotaan nyt vaikka kuusinkertaista hetkellistä tehoa verrattuna jatkuvaan maksimitehoon. Ja tämä taasen pohjimmiltaan riippuu siitä, kuinka paljon höyryssä on energiaa, sillä teho määritelmällisesti kertoo kuinka nopeasti energiaa kulutetaan.

No kai pitäisi ajatella, paljonko kattilassa on energiaa sitoutuneena veden ja höyryn lämpöön sekä paineeseen.

Ville O. Turunen sanoi:
...kun muistetaan, että höyryveturia pitää lämmittää ennen käyttöönottoa ainakin puolisen tuntia.

Höyryveturin kattilaa pitää lämmittää useita tunteja, mutta se johtuu enempi siitä, ettei nopeassa lämmityksessä tavahtuva epätasainen lämpölaajeneminen riko kattilaa. Minimiajat ovat muutamia tunteja, ja ne ovat kaikenkokoisilla kattiloilla lähellä toisiaan sen vuoksi, että aikahan riippu tulipinnan ja kattilan massan suhteesta eikä kattilan koosta.

Minulla ei ole käsillä minkään veturihöyrykattilan täsmällisiä mittoja, mutta jotain suuntaa voin antaa käytännön tilanteesta.

Kattilassa on 60-75% sisätilavuudesta vettä, loppu on varattu höyrylle. Esim. Tr1-veturin kattilan tilavuus on noin 20 m3 josta vedelle 11,6 m3. Kattilan paine on 15 bar (täsmällisesti 15 kp/cm2) ja tässä paineessa vesi noin 200 asteen lämpöistä. Koneistolle johdettava höyry tulistetaan vielä 350 asteiseksi. Kattilan tulipinta on 195 m2. Kivihiilellä vettä keitetään noin 55 kg/h/m2 ja saadaan tulistettua höyryä n. 9 m3/h/m2. Tr1:n kattila keittää siis vettä noin 3 kg/s ja höyryä saadaan 0,5 m3/s. Nämä luvut on poimittu Mikko Ivalon kirjasta.

Tr1:n iskunpituus on 700 mm ja sylinterin halkaisija 610 mm. Suurin mäntävoima on 428 kN. Vetopyörän halkaisija on 1600 mm.

Veden ominaislämpökapasiteetti on 4,18 kJ/kg/Celciusaste.

Tr1:n sylinteritilavuus on 0,2 m3. 70 km/h nopeudella (19,4 m/s) kone kiertää 3,87 r/s. 80 %:n täytöksellä Tr1 kuluttaa siten höyryä 2,5 m3/s. Höyrynkulutus on 5-kertainen kattilan höyrystyskykyyn nähden.

Kun höyryä käytetään enemmän kuin sitä keitetään, kattilan paine alkaa laskea. Mutta toisaalta höyryä kiehuu lisää paineen laskun vuoksi, ja tämä höyry syntyy veden sisältämästä energiasta. Toisaalta veturin arinalla voidaan polttaa lähes 2-kertaisella teholla hiiltä taloudelliseen polttamiseen nähden.

Siitä kun olen laskenut kattilan toimintaa on aika monta vuotta, eikä niitä laskuohjeita ole nyt käsillä ja ulkoa en muista. Siksi en laske enempää, vaan arvaan, että lopputulos on, että suurella täytöksellä ja jatkuvaa taloudellista tehoa suuremmalla teholla polttamalla koko veturista saadaan 2-3 -kertaista ylitehoa useita minuutteja.

Antero

Rattivaunu · 26 Tammikuu 2007

PNu sanoi:
Vaikka Hv1 painoi noin 90 t eli se oli 35-50 % suurempi, kuin 60-66 t painava Dv12 niin silti Dv12 oli kaikilla nopeuksilla selvästi vahvempi ja liikkeelle lähdettäessä täysin ylivoimainen. Tässä tulee juuri selvästi esiin dieselvetureiden kyky kehittää suuri vetovoima pienellä nopeudella ja liikkeelle lähdettäessä.

Dv12 on siis täyshydraulisella voimansiirrolla varustettu diesellinjaveturi. Ykkösvaihteena toimii momentinmuunnin (tunnetaan myös momentinvahvistajana) ja kahtena isompana kaksi nestekytkintä. Momentinmuunnin on tuttu kapistus myös tieliikenneajoneuvojen hydraulismekaanisista automaattivaihteistoista.
Momentinmuunnin on läheistä sukua nestekytkimelle. Kummassakin pumppupyörä, joka on mekaanisessa yhteydessä moottorin kampiakseliin, laittaa vaihteistoöljyn virtaamaan siten, että turbiinipyörä pyrkii pyörimään parhaansa mukaan samalla nopeudella pumppupyörän kanssa. Turbiinipyörältä on yhteys pidemmälle voimansiirtoon, aina lopulta vetäville pyörille saakka.

Käytännössä pumppupyörä ja turbiinipyörä eivät pyöri juuri koskaan samalla nopeudella, vaan niiden pyörintänopeuksien välille syntyy jättämä. Puhutaan luistosta, joka samalla merkitsee tehohäviötä. Käytännössä tämä häviö on ilmeisesti havaittu hieman suuremmaksi kuin sähköisen voimansiirron se häviö, kun mekaanista energiaa muutetaan sähköiseksi ja jälleen päin vastoin. Toisaalta moottoria voi pyörittää varsin vapaasti tarpeen mukaan joko suurimman vääntömomenttinsa kierroslukualueella tai suurimman tehonsa kierroslukualueella olematta välittömästi sidoksissa ajonopeuteen (aivan kuten sähköisenkin voimansiirron ollessa kyseessä mutta juuri toisin kuin mekaanisen voimansiirron ollessa kyseessä). Siinä mielessä dieselhydraulisen (tai dieselsähköisen) veturin vetokykyä arvioitaessa ei ehkä kannattaisi liikaa tuijottaa dieselmoottorin teoreettisiin vääntöominaisuuksiin niin korostetusti, kuin osassa puheenvuoroja tuolla edellä on tehty. Lisäksi momentinmuunnin vahvistaa moottorin vääntömomenttia tietyissä oloissa merkittävästi. Höyryveturi puolestaan vastaa voimansiirtonsa osalta vaikkapa yksivaihteista polkupyörää. Olisi sinänsä mielenkiintoista, jos joku olisi rakentanut höyryhydraulisen tai höyrysähköisen veturin tai lokomobiilin joskus. Sellaisesta olisi voinut kehittyä vetovoimansa puolesta hieman haastavampi kilpailija dieselkäyttöisille vetopeleille (ainakin teoriassa).

En tällä viestillä pyri osoittamaan sormella, kuka tässä ketjussa on oikeassa tai väärässä. Esille on tullut monia varsin mielenkiintoisia näkökulmia ja pidän hyvänä, että keskustelu jatkuu. Omalla näkökulmallani pyrin tuomaan aikaisempia puheenvuoroja terävämmin esille voimansiirtoratkaisujen merkityksen siihen, miten vetovoimaa järjestetään vetopyörille moottorin välittömistä ominaisuuksista riippumatta eri tilanteita ajatellen. Tässä on kysymyksessä varsin monitahoisista asioista ja niiden kokonaisvaltainen arvionti ihan vain harrastuspohjalta ei välttämättä ole niin helppoa kuin äkkipäätään voisi ajatella.

Millä vetureilla selvitään missäkin tilanteessa, selviää esimerkiksi aikataulukokeissa. Siinä voi sitten katsoa, kuinka hyvin teoriat ja todellinen käytäntö kulkevat käsi kädessä. Laitetaan tietyn painoinen juna kulkemaan jollekin haasteelliselle välille ja katsotaan minkälaisen veturin (-yhdistelmän) kanssa mennään tavoiteaikataulussa ja minkä kanssa ei.

Toivotan kaikille keskusteluun osallistuneille mukavaa päivänjatkoa ja iloisia hetkiä junien maailmassa vastakin.

PNu · 26 Tammikuu 2007

Antero Alku sanoi:
Kattilassa on 60-75% sisätilavuudesta vettä, loppu on varattu höyrylle. Esim. Tr1-veturin kattilan tilavuus on noin 20 m3 josta vedelle 11,6 m3.

Tr1:n kattila keittää siis vettä noin 3 kg/s ja höyryä saadaan 0,5 m3/s. Nämä luvut on poimittu Mikko Ivalon kirjasta.

Tr1:n sylinteritilavuus on 0,2 m3. 70 km/h nopeudella (19,4 m/s) kone kiertää 3,87 r/s. 80 %:n täytöksellä Tr1 kuluttaa siten höyryä 2,5 m3/s. Höyrynkulutus on 5-kertainen kattilan höyrystyskykyyn nähden.

Jos nyt ymmärsin nuo mainitsemasi luvut oikein niin Tr1:n kattilassa on noin 8,4 m3 höyryä ja 70 km/h ajettaessa kone kuluttaa 2,5 m3/s. Eikö tämä tarkoita karkeasti ottaen, että kattilassa valmiina oleva höyry riittää noin 3-4 sekunnin ajaksi ylläpitämään maksimitäytöksen mukaista vetovoimaa? Arvioni siitä, että teho putoaa kattilapaineen heikkenemisen takia muutamassa sekunnissa olisi siis täysin oikea.

Antero Alku sanoi:
Kun höyryä käytetään enemmän kuin sitä keitetään, kattilan paine alkaa laskea. Mutta toisaalta höyryä kiehuu lisää paineen laskun vuoksi, ja tämä höyry syntyy veden sisältämästä energiasta. Toisaalta veturin arinalla voidaan polttaa lähes 2-kertaisella teholla hiiltä taloudelliseen polttamiseen nähden.

Juuri tähän ominaisuuteen minun ymmärtämykseni mukaan höyryveturin "ylikuormittamismahdollisuus" perustuukin. Kuitenkin Mikko Ivalon mukaan arinalla voidaan järkevällä tavalla polttaa hetkellisesti enintään noin 50 % ylimääräistä polttoainetta ja höyryä ei saada tuotettua hyötysuhteen heikkenemisen vuoksi lisää läheskään samassa suhteessa. Olikohan esimerkkitapaus niin, että 25 % ylimääräistä polttoainetta merkitsee noin 15 % lisää höyryä ja suhde heikkenee koko ajan, kun polttoaineen määrää lisätään.

Siten edellä mainitsemani muistikuva, että höyryveturia voitaisiin ylikuormittaa 20-30 % noin 5 min ajan voisi olla hyvinkin lähellä totuutta. Tämä höyrymäärä siis saavutettaisiin tuolla 50 % lisätyllä polttoaineen määrällä.

PNu · 26 Tammikuu 2007

Rattivaunu sanoi:
Käytännössä tämä häviö on ilmeisesti havaittu hieman suuremmaksi kuin sähköisen voimansiirron se häviö, kun mekaanista energiaa muutetaan sähköiseksi ja jälleen päin vastoin.

Hydraulisella voimansiirrolla saavutettava hyötysuhde lienee väliltä 75-80 %, kun sähköisellä saavutetaan 80-85 %. Tämähän on osasyynä siihen, että Dr13-veturia pidettiin vahvempana pikajunan vetäjänä kuin Dv12-paria, vaikka molemmissa oli kaksi samanlaista moottoria. Tosin on tähän epäilemättä muitakin syitä.

Rattivaunu sanoi:
Millä vetureilla selvitään missäkin tilanteessa, selviää esimerkiksi aikataulukokeissa. Siinä voi sitten katsoa, kuinka hyvin teoriat ja todellinen käytäntö kulkevat käsi kädessä. Laitetaan tietyn painoinen juna kulkemaan jollekin haasteelliselle välille ja katsotaan minkälaisen veturin (-yhdistelmän) kanssa mennään tavoiteaikataulussa ja minkä kanssa ei.

Oma pessimismini höyryveturin ylikuormittamisen mahdollisuuksien suhteen perustuukin paljolti siihen, että dieselvetureiden myötä kiistatta junapainoja nostettiin tai aikatauluja kiristettiin ja usein jopa molempia samanaikaisesti.

Lisäksi mäkiin kiinni jäämisen väitetään olleen höyryvetureiden aikana todellinen ongelma eikä se liene ihan perätöntä puhetta, koska joissain mäkipaikoissa on ollut jopa sivuraide, jotta juna voitiin tarvittaessa puolittaa ja vetää ylös kahdessa osassa. Eihän mitään tämän kaltaista olisi tarvittu, jos höyryveturia voitaisiin ylikuormittaa enemmän kuin sähköveturia konsanaan.

PNu · 26 Tammikuu 2007

Ville O. Turunen sanoi:
Itse luvut voivat olla mitä sattuu, mutta kertaluokat lienevät oikeita, puhumme siis joistain minuuteista. Siis sillä edellytyksellä, että ekstratehojen käyttö ei lisää merkittävästi energiahukkaa.

Mutta sehän lisää energiahukkaa paljon. Jos ajetaan maksimitäytöksellä niin höyry ei pysty laajenemaan sylintereissä ja tekemään suhteellisesti yhtä paljon työtä, kuin jatkuvassa ajossa pienellä täytöksellä. Lisäksi ongelmana ovat kuristumisen aiheuttamat tehohäviöt.

Kuristumisen takia höyryveturin maksimivetovoima kyetäänkin saavuttamaan vain melko pienillä nopeuksilla. Siksi Tr1:n vetovoima saattaa nopeudella 70 km/h olla maksimitäytökselläkin esim. vain 80 kN, jos pienellä nopeudella saavutetaan 160 kN.

Antero Alku · 28 Tammikuu 2007

PNu sanoi:
Jos nyt ymmärsin nuo mainitsemasi luvut oikein niin Tr1:n kattilassa on noin 8,4 m3 höyryä ja 70 km/h ajettaessa kone kuluttaa 2,5 m3/s. Eikö tämä tarkoita karkeasti ottaen, että kattilassa valmiina oleva höyry riittää noin 3-4 sekunnin ajaksi ylläpitämään maksimitäytöksen mukaista vetovoimaa? Arvioni siitä, että teho putoaa kattilapaineen heikkenemisen takia muutamassa sekunnissa olisi siis täysin oikea.

Arviosi ei ole oikea. Kattila toimii siten, että se muutta vettä höyryksi koko ajan. Kattilan paineen pysyessä vakiona, höyryä keitetään kattilan tulipinnan välittämällä lämpöteholla. Jos höyryä käytetään enemmän kuin tulipinnan lämpöteho sitä keittää, paine laskee, ja höyryä syntyy kuumasta vedestä paineen laskemisen vuoksi.

Tr1-veturin tulistetun höyryn tilavuus on 167 litraa/kg. Ylipäätään höyryn tilavuus on 100-1600 -kertainen sen veden tilavuuteen nähden, josta höyry keitetään. Vaihteluväli riippuu paineesta.

Käytännössä höyryveturista voi ottaa ylitehoa epäilemättä useita minuutteja. En osaa sanoa kuinka kauan tässä Tr1:n tapauksessa nopeudella 70 km/h. Tietenkin yliteho laksee koko ajan, koska kattilan paine alkaa laskea. Mutta kun täyden täytöksen teho on noin 3 kertaa talouden kannalta optimaalisen täytöksen teho, ylitehoa veturista saadaan niin kauan kunnes 15 baarin kattilapaine on laskenut 5 baariin.

Tälle väitteelleni - siis minuuttien ylitehosta - ja tämän ylitehon käytännön merkitykselle voi esittää kaksi perustetta, jotka varmaan sinunkin on hyväksyttävä.

Ensinnä höyrysäiliövetureiden olemassa olo ylipäätään. Höyrysäiliöveturissa ei ole lainkaan tulipesää energian lähteenä, vaan veturin energia ladataan johtamalla korkeapaineista tulistettua höyryä veturin "kattilaan" eli höyrysäiliöön. Säiliössä on myös vettä, ja "kattila" toimii pelkästään siten kuin ylitehon ottaminen tavallisen veturin kattilasta esimerkiksi mäessä. Eli paine laskee, mutta säiliön vedestä kiehuu jatkuvasti uutta höyryä. Tällä tavalla veturia voidaan käyttää 15-30 minuuttia.

Toinen peruste on luettavissa myös Mikko Ivalon kirjasta. Eli höyryveturin käytössä mäissä normaali käytäntö on täytöksen lisääminen, kuten kirja opastaa mäessä ajosta sekä selvittää kattilan ja höyrykoneen toiminnan yhteydessä.

PNu sanoi:
Siten edellä mainitsemani muistikuva, että höyryveturia voitaisiin ylikuormittaa 20-30 % noin 5 min ajan voisi olla hyvinkin lähellä totuutta....

5 minutta on eri asia kuin 3-4 sekuntia, josta kirjoitit ensin. 70 km/h nopeudella 5 minuutin aikana taittuu matkaa lähes 6 kilometriä.

Antero

Antero Alku · 28 Tammikuu 2007

PNu sanoi:
Lisäksi mäkiin kiinni jäämisen väitetään olleen höyryvetureiden aikana todellinen ongelma eikä se liene ihan perätöntä puhetta, koska joissain mäkipaikoissa on ollut jopa sivuraide, jotta juna voitiin tarvittaessa puolittaa ja vetää ylös kahdessa osassa. Eihän mitään tämän kaltaista olisi tarvittu, jos höyryveturia voitaisiin ylikuormittaa enemmän kuin sähköveturia konsanaan.

Junan jääminen mäkeen ja ylitehon ottaminen suuressa nopeudessa ovat eri asiat.

Mäkeen jäämisessä on kysymys vetovoimasta, nopeudessa on kysymys tehosta. Ja ne eivät ole sama asia, se lienee jo kiistatta selvää.

Veturi jää mäkeen, jos juna on niin raskas, ettei veturin vetovoima riitä kumoamaan sekä normaalia tasaisen maan kulkuvastusta että mäen kaltevuudesta aiheutuvaa vetovoiman lisätarvetta.

Mäki voidaan ylittää myös tilanteessa, jossa veturin vetovoima - kuten hankauspaino - ei ylitä junan vierintävastusta ja mäen lisävastusta, jos mäki aloitetaan kyllin suurella nopeudella. Tällöin junan omaa liike-energiaa vapautuu potentiaalienergiaksi (korkeusasemaan perustuvasksi energiaksi), eli junan nostaminen mäen päälle tapahtuu osin veturista saatavan energian avulla, osin junan nopeuden hidastumisesta saatavalla energialla.

Tämä selitys voi kuulostaa monimutkaiselta, mutta jokainen ymmärtää asian jopa käytännön leikeistä. Kun vaikka pallolle antaa vauhtia vastamäkeen, pallo nousee aikansa ja vierii sitten takaisin. Tässä yksinkertaisessa leikissä käytetään liiken-energian muuttamista potentiaalienergiaksi ja päin vastoin.

Vetovoiman ongelma ja mäkeen jäänti eivät riipu siitä, onko veturissa dieselmoottori vai höyrykone, vaan vetovoimasta, joka puolestaan viime kädessä on kysymys hankauspainosta.

Mäkeen jäänti riippuu myös kuljettajan taidoista. Jos ei ota vauhtia eikä osaa säätää konetta, riski mäkeen jäämisestä kasvaa. Höyryveturin ajaminen on vaikeampaa ja siis vaativampaa kuin dieselveturin ajaminen. Sen vuoksi ei ole yllätys, jos dieseleiden kanssa kuljettajat tekivät vähemmän virheitä ja selvittivät mäet paremmin.

Mäissä sallittujen junapainojen nostoa voi perustella myös nopeuksien kasvulla (mkeen voitiin ottaa vauhtia suuremmalla nopeudella). Junien nopeudet olivat ylipäätään vielä kasvussa kun höyryvetureiden valmistus loppui. Kasvu ei johtunut siitä, että otettiin käyttöön dieselvetureita, sillä myös höyrykaudella junanopeudet olivat jatkuvasti kasvaneet ja olisivat voineet kasvaa yhtä hyvin vaikka dieselvetureita ei olisikaan otettu käyttöön.

Antero

PNu · 29 Tammikuu 2007

Antero Alku sanoi:
Arviosi ei ole oikea.

Mikko Ivalon mukaan tulistetun höyryn tilavuus on noin 50 % suurempi kuin tulistamattoman. Hyväksyn siis, että 8,4 m3 höyryä kattilassa vastaa 12,5-13 m3 höyryä sylintereissä. Kun kulutus on 2,5 m3/s niin höyryä riittää siis Tr1:n kattilassa noin 5 sekunnin ajaksi, jos ajetaan 70 km/h maksimitäytöksellä. Sen jälkeen vetovoima kuitenkin heikkenee. Lukema on täysin merkityksetön, kun edessä on kilometrien mittainen nousuosuus.

Antero Alku sanoi:
Jos höyryä käytetään enemmän kuin tulipinnan lämpöteho sitä keittää, paine laskee, ja höyryä syntyy kuumasta vedestä paineen laskemisen vuoksi.

Tässä olet oikeassa mutta Ivalon mukaanhan painetta nimenomaan ei saa laskea. Syy on siinä, että kattilapaine on jossain vaiheessa pakko nostaa taas ylös ja paineen nosto on paljon työläämpää kuin sen pitäminen jatkuvasti tasaisena.

Kattilapaineen pudottaminen on siis vähän sama kuin se kuuluisa housuihin laskeminen pakkasella. Veturista saadaan kyllä hetkellisesti normaalia suurempi teho mutta sen jälkeen joudutaan matelemaan hitaasti pienellä teholla painetta jälleen nostaen. Jos juna on vielä ylämäessä, se todennäköisesti jää nousuun kiinni.

Antero Alku sanoi:
Ylipäätään höyryn tilavuus on 100-1600 -kertainen sen veden tilavuuteen nähden, josta höyry keitetään. Vaihteluväli riippuu paineesta.

Ivalon mukaan tulistetun höyryn tilavuus on 144-kertainen Tr1:n kattilassa olevan veden tilavuuteen verrattuna. Yhdestä kuutiosta vettä saadaan siis 144 m3 höyryä eli tämäkin riittää 2,5 m3/s kulutuksella vain alle minuutiksi. Lisäksi se tapahtuu siis paineen heikkenemisen kustannuksella eli vaikeuksia kerjäten. Kovin suurta määrää vettä ei tällä tavoin voida edes höyryksi muuttaa ilman kattilan kuivumisen ja kattilaräjähdyksen vaaraa.

Antero Alku sanoi:
Ensinnä höyrysäiliövetureiden olemassa olo ylipäätään.

Höyrysäiliöveturit on yleensä tarkoitettu vain vaihtotöihin eli niillä ajetaan pienillä nopeuksilla ja tehoilla, jolloin höyryn kulutus on melko vähäinen.

Höyrysäiliöveturissa myöskin säiliön täyttöpaine on selvästi suurempi, kuin höyrykoneen käyttöpaine, joten paineen laskeminen ei heti alenna höyrykoneen tehoa. Sen sijaan Tr1:n maksimivetovoimaa laskettaessa sylintereissä vaikuttavaksi paineeksi katsotaan häviöitä lukuunottamatta sama 15 kp/cm2 kuin kattilassa, joten kattilapaineen putoaminen alentaa heti myös tehoa.

Näistä syistä huolimatta höyrysäiliöveturinkin toiminta-aika on varsin lyhyt ja vetovoima säiliön paineen ehtyessä lopulta hyvin vaatimaton.

Antero Alku sanoi:
Toinen peruste on luettavissa myös Mikko Ivalon kirjasta. Eli höyryveturin käytössä mäissä normaali käytäntö on täytöksen lisääminen, kuten kirja opastaa mäessä ajosta sekä selvittää kattilan ja höyrykoneen toiminnan yhteydessä.

Ivalon mukaan mäkiin tulee ottaa vauhtia ja nopeuden annetaan ylämäessä pudota. Täytöksen lisääminen onnistuu siis siksi, että vauhdin pudotessa höyrykoneen iskuluku vähenee ja se kuluttaa siksi koko ajan vähemmän höyryä.

Tilannetta voidaan auttaa lisäämällä hetkellisesti polttoaineen määrää 25-50 %, jonka avulla saadaan 15-30 % lisää höyryä. Samoin kattilaan voidaan syöttää hetkellisesti todellista kulutusta vähemmän vettä, jonka ansiosta kattilapaineen alenemisen riski vähenee. Näillä keinoilla saavutettanee se aikaisemmin mainitsemani ylikuormitusarvo eli 20-30 % lisää tehoa 5 min ajan.

PNu · 29 Tammikuu 2007

PNu sanoi:
Kuristumisen takia höyryveturin maksimivetovoima kyetäänkin saavuttamaan vain melko pienillä nopeuksilla. Siksi Tr1:n vetovoima saattaa nopeudella 70 km/h olla maksimitäytökselläkin esim. vain 80 kN, jos pienellä nopeudella saavutetaan 160 kN.

Täytyy vielä täydentää itseään, kun tähänkin näyttää löytyvän vastaus Ivalon kirjasta Höyryveturit ja niiden hoito. Sivulla 297 (vuoden 1945 painos) kerrotaan höyryn tekevän esim. täytöksellä 30 % ajettaessa 2,18 kertaa niin paljon työtä kuin täytöksellä 100 %.

Jos Tr1 kehittäisi vaikkapa 50 kN:n vetovoiman jatkuvassa ajossa nopeudella 70 km/h, kun täytös on 30 % niin teoriassa 100 % täytöksellä vetovoima olisi 166,7 kN ((50 kN / 30) * 100 = 166,7 kN). Koska 30 % täytöksellä höyry tekee kuitenkin suhteellisesti 2,18 kertaa enemmän työtä niin todellinen vetovoima olisi 100 % täytöksellä vain 76,5 kN (166,7 kN / 2,18 = 76,5 kN). Täytöksen lisääminen arvosta 30 % arvoon 100 % lisää siis vetovoimaa vain arvosta 50 kN arvoon 76,5 kN, jos nopeus pysyy vakiona.

Tietysti tämän kaltainen laskelma on hyvin yksinkertaistettu mutta kuitenkin suuntaa antava. Tr1:n suurin hetkellinenkin vetovoima nopeudella 70 km/h on siis mitä ilmeisimmin paljon vähemmän kuin hitaassa ajossa saavutettava maksimi 160 kN. Todennäköisesti se on jopa alle 100 kN ja teho vastaavasti alle 2000 kW. Lisäksi näitäkin arvoja voidaan ylläpitää lähinnä vain sekunteja yhtäjaksoisesti, jos kattilapaineen ei haluta putoavan. Niillä ei siis ole mitään käytännön merkitystä.