【科普】南非货运铁路的“红魔”

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【科普】南非货运铁路的“红魔”

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文章作者:西瓜昌真湿基(哔哩哔哩和百度昵称:宁柳跨越)

阅读前之提示“北方”或“联盟”者,蒸汽机车轮式也,其为两导轮轴四导轮、四动轮轴八动轮,以及两从轮轴四从轮而成。本文提及的南非国家交通运输集团铁路货运分公司26型蒸汽机车为4-8-4轮式。南非国家交通运输集团在本文均简称“Transnet”,其铁路货运分公司简称“TFR”⑴,前身南非铁路简称“SAR”;南非谢普斯敦港和阿尔弗雷德县铁路公司简称“PSACR”;德国亨舍尔公司简称“H&S”⑵,英国北英机车公司简称“NBLC”⑶。本文属于正经科普文章,资料及图片来源于相关技术资料,不作为商业使用,如有侵权请及时联系删除之。请大家理性讨论,不要在评论区干些不该干的事!如见有引战性评论,将采取必要措施处置之!由于笔者精力和能力限制,在整理资料时恐有错漏,也请诸位读者纠正指教,谢谢合作!

概述

“红魔”26型蒸汽机车是SAR在1979年到1981年间根据英国工程师大卫·沃戴尔的技术指导,并基于他曾共事过的阿根廷工程师李维多·但丁·波塔⑷的设计原则,在开普敦郊区索尔特河车间将25NC-3450号机车改造而来的蒸汽机车。

26-3450号机车

测试验证

起初,SAR对26型蒸汽机车项目可谓是犹豫不定,因为当时SAR已经决定用电力机车和内燃机车代替所有干线运用的蒸汽机车。但是,大卫·沃戴尔决心证明“红魔”可以通过使用GPCS煤气生成器燃烧系统以及由李维多·但丁·波塔开发的Lempor排气装置,产生更多的蒸汽而消耗更少的燃料以大大提高效率。

19D-2644号机车

作为测试验证,大卫·沃戴尔获准对19D-2644号蒸汽机车进行广泛的修改。19D-2644号机车安装了GPCS和串联的双Lempor排气装置,并进行了包括安装高位的挡烟板在内的其他改进。

改造后的19D-2644号机车比其他未经改造的19D型机车具有更高的功率和更低的煤水消耗,从而使大卫·沃戴尔得以继续研制26型蒸汽机车。

燃烧改造

25NC-3450号机车于1979年底开始改造。SAR将改造工作分配给索尔特河镇、布隆方丹、比肯斯菲尔德、科埃德斯普特和彼得马里茨堡车间。改造的主要目标是三个方面——提高燃烧和蒸发速度、减少黑烟排放以及克服煤渣的问题。

这是通过使用单级煤气发生炉来实现的。该煤气发生炉依靠煤在低温火床上的气化,使气体在炉床上方完全燃烧。它最大限度地减少火箱吸收的空气量,而燃烧所需的主要空气来源是火箱上方的辅助进气口。

常规火箱的燃烧原理示意

在常规蒸汽机车中,最严重的燃料浪费是由于空气快速流过而使未燃烧的煤颗粒从炉床中流失。因此,通过煤气发生炉燃烧系统,煤在炉排上方被二次空气加热燃烧以除去挥发性成分。这样的结果是改善了燃烧,从而减少了不完全燃烧导致的黑烟以及通过黑烟排出的未燃烧煤颗粒。

煤气发生式火箱的燃烧原理示意

其他改造

此外,对25NC-3450号机车的其他主要修改有烟箱加长以安装Lempor排气装置、改造双烟囱、在烟囱之间安装给水加热器以及增高EW1型煤水车煤仓侧墙等。

26-3450号机车早期的铭牌

改造后的机车尽管保留了最初的3450号车号,但这些广泛的改动使得这台机车被定型为26型。起初,机车司机室两侧还有26-3450号车号牌、H&S铭牌⑸和索尔特河镇车间铭牌,但后来被刻有“Transnet National Collection”字样的铭牌所代替。

26-3450号机车后期的铭牌

试运行

26-3450号机车涂有红色制服,并被正式命名为“李维多·但丁·波塔”号。26-3450号机车的第一次试运行是在1981年2月5日星期四进行的,第二次试运行是在索尔特河镇-贝尔维尔区段进行。是年2月9日,26-3450号机车牵引了一趟由3节客车编成并载有铁路官员、员工和媒体记者的专列,从开普敦出发,抵达位于开普敦东北方向约66 km的帕阿尔。在随后的开普敦媒体报道中,26-3450号机车被称为“红魔”。昵称最终成为机车正式命名,而机车的大挡烟板一度被欧洲大陆风格的小挡烟板替换。

采用大挡烟板的“红魔”

运行性能

与未经改造的25NC型蒸汽机车相比,“红魔”在牵引过程中节省了28%的煤以及30%的水,牵引力增加了43%。理论上,“红魔”在10‰到12.5‰不等的坡道上满载牵引货运列车,单考虑煤仓库容量则其最大里程为700 km;而单考虑水箱容量,其最大里程则为230 km。

在比勒陀利亚-威特班克区段的测试运行期间,根据机械仪表和电子仪表显示,“红魔”在运行速度为75.5 km/h时的最高轮周功率记录为4492 hp(3350 kW),这是窄轨蒸汽机车的世界纪录。然而,由于测试设备的故障,加上轮周的测量精度较低,以至于在各种测试运行中通常得出不一致的结果。因此,“红魔”在运行速度为75.5 km/h时的等效轮周功率记录为3787 hp(2824 kW),很可能低于实际达到的水平,但即使如此,“红魔”也比25NC型蒸汽机车可能达到的水平高出43%,超出原初增加35%的设计要求。

在20‰的坡道上,“红魔”的额定货运牵引定数为700 t,在12.5‰坡道的牵引定数为1080 t,10‰坡道的牵引定数为1320 t。但“红魔”在20‰的坡道普超900 t,且可以在10‰坡道以100 km/h的持续速度牵引着定数为650 t的旅客列车。

“红魔”的设计略图

问题

尽管“红魔”十分强大,但在坡道上起动或低速运行时的性能不佳。在比勒陀利亚-威特班克区段的测试运行期间,“红魔”在一次坡停后花费20 min的时间才得以坡起,即使撒砂都无法克服这些问题。

保存

“红魔”在2003年9月23日动态展示后封存于开普敦纪念碑站,由代表Transnet的铁路爱好者们负责维护。2015年11月,Transnet与新成立的Ceres铁路公司就“红魔”展开谈判,后者希望使该机车重新投入服务,以在开普敦和西开普省罗伯逊之间重新开放的塞雷斯支线铁路进行周末短途旅行。

2018年7月13日,“红魔”进行了15年以来的首次动态展示。但是,Transnet仅允许“红魔”在南非的冬季月份动态展示。

类似的改造

除了“红魔”以外,在南非和中国两国也有类似改造的蒸汽机车。

南非货运铁路25NC-3454号机车

在大卫·沃戴尔离开南非后,比肯斯菲尔德车间对一台由NBLC制造的25NC-3454号机车进行了小规模的改造。对该机车的修改主要包括配备双Lempor排气系统,挡烟板向上扩展并围绕烟箱弯曲。为了节省扩展烟箱的成本,烟囱并排安装,而不是像“红魔”那样串联安装。25NC-3454号机车其余部分未被改动。

25NC-3454号机车

改造后的25NC-3454号机车于1985年2月测试运行。根据测试结果显示,与25NC型蒸汽机车相比,25NC-3454号机车显著节省了煤炭和水,且比“红魔”更不易打滑。

25NC-3454号机车的双烟囱

中国大同机车工厂QJ-8001号和QJ2-0001号机车

1981年,为了提高蒸汽机车的热效率,增大输出功率和提高运用可靠性,大同机车工厂参考NDQ型煤气内燃机车的煤气发生装置,开始研究对QJ型蒸汽机车进行煤气化改造。

1986年大同机车工厂聘请大卫·沃戴尔为顾问,研究煤气火箱的可行性。是年上半年,采用GPCS火箱的“波特炉”QJ-8001号机车试制成功。大卫·沃戴尔着手设计同样采用GPCS火箱的QJ2-0001号机车——QJ2-0001号机车是在QJ型蒸汽机车煤水车上装煤气发生炉,炉内生成的煤气经过煤气管道输送至机车火箱内燃烧。

QJ-8001号机车

1986年9月,QJ2-0001号机车试制成功后,在厂内试运线上经过两次试运,最高速度达68 km/h,所有运行设备正常。同年10月8日,QJ2-0001号机车单机挂1节守车,在北同蒲铁路大同-北周庄区段进行单机试运行。次年9月,QJ2-0001号机车在大同-朔县区段牵引重量为2934 t货物列车安全完成试运行。

而QJ-8001号机车仅在呼和浩特作测试。经过一年多试验,QJ-8001号和QJ2-0001号机车最后均未完成定型。QJ2-0001号机车的锅炉改回传统火箱,并改用普通煤水车⑹,其煤气发生炉煤水车与QJ-8001号机车闲置于大同机车工厂,后被拆解。

阿尔弗雷德县铁路NG G16A型

SAR关闭了纳塔尔省⑺的窄轨铁路后,哈丁镇境内的窄轨铁路被PSACR接收。为了保持铁路竞争力,PSACR对其现有的两台采用2-6-2+2-6-2“加拉特”轮式的NG G16型蒸汽机车进行了改造。工程师菲尔·吉德斯通结合了李维多·但丁·波塔研制出来的包括GPCS、Lempor排气在内的新的技术设计。

“红龙”NG G16A-141号机车

198*9年到1990年间,NG141号和NG155号机车经过改造,并重新定型为NG G16A型。在与NG G16型的对比测试中,NG141号机车节省了25%的煤炭,并且易于在常规运行中进行维护。这项改造工作的成本在12个月内就被挣回,而PSACR顺势提出了研制NG G17型蒸汽机车的计划,但是由于PSACR的农产品运输被逐渐改善的公路运输赶超,因此这一计划从未实现,而PSACR最终于2004年破产。后来,南非Sandstone Estates公司收藏了这两台NG G16A型蒸汽机车。

NG G16A-155号机车

技术数据表25型、25NC型和26型蒸汽机车技术数据表

后记

作为SAR最后引进的蒸汽机车,25型和25NC型蒸汽机车见证了南非蒸汽机车运用史的最后时光。而25NC-3450号和25NC-3454号机车成功被改造,也证明25型和25NC型蒸汽机车其实还是有改进的潜力。

而从某种意义上说,“红魔”所取得的杰出成就可以看作是蒸汽机车最后的回光返照。尽管“红魔”最终成为SAR上最高效、最强大的蒸汽机车,但SAR依然采购电力机车和内燃机车,完全取代了蒸汽机车。“红魔”项目的扩展改进也因此中止。

注释

⑴英语:Transnet Freight Rail。

⑵德语:Henschel & Sohn。

⑶英语:North British Locomotive Company。

⑷西班牙语:Livio Dante Porta(1922~2003),致力于蒸汽机车现代化改造的阿根廷工程师。

⑸安装在26-2450号机车司机室两侧的H&S铭牌不是原件,而是从一台采用4-8-2+2-8-4“加拉特”轮式的GMA-4068号机车上取下的(这台机车当时已经退役)。GMA-4068号机车的厂商编号为28697,而26-2450号机车前身——25NC-2450号机车的实际厂商编号为28769。

⑹QJ2-0001号机车改造回普通QJ型蒸汽机车后的车号为QJ-7291号,曾配属于中国陕西省蒲白矿务局,退役后封存。

⑺英语:Province of Natal,南非荷兰语:Provinsie van Natal。纳塔尔省为南非于1910年至1994年间存在的一个省级行政区,于1994年与夸祖鲁和班图斯坦合并为夸祖鲁-纳塔尔省。

参考《煤气蒸汽机车的探讨》,盖凤山 著,《煤炭加工与综合利用》1986年04期《前进二型煤气蒸汽机车问世》,纪育民 著,《铁道科技动态》1987年02期《煤气-蒸汽机车的开发》,老文雄,金昆 著,《煤气与热力》198*9年01期《The Gas Producer Combustion System》:http://www.trainweb.org/tusp/firebox.html《South Africa's 'Red Devil'》:http://www.martynbane.co.uk/modernsteam/dw/rooinek/rooinek.html《ACR NGG16A 141 & 155》:http://www.martynbane.co.uk/modernsteam/pg/ngg16a/ngg16a.htm 《Modifications in Mainline Steam - The Red Devil — Coalition for Sustainable Rail》:https://csrail.org/newsroom/2016/4/16/modifications-in-mainline-steam-the-red-devil《Class 25NC -3472 "Elize" — Blogging while allatsea》:http://allatsea.co.za/blog/class-25nc-3472-elize/《South Africa: Steam News: "Red Devil" to be Restored》:South Africa: Steam News: ;Red Devil; to be Restored《old STEAM LOCOMOTIVES in South Africa: Kimberley: SAR Class 25NC 4-8-4 Locomotive No.3411》:http://steam-locomotives-south-africa.blogspot.com/2008/06/kimberley-sar-class-25nc-4-8-4.html《Steam in Africa 2020》:https://www.internationalsteam.co.uk/africa.htm



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