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1953年製の南アフリカ鉄道25形4-8-4型蒸気機関車は、凝縮式蒸気機関車であった。
1953年から1955年の間に、南アフリカ鉄道は4-8-4ノーザン型車輪配置のクラス25凝縮式蒸気機関車を90両運用に投入した。同時期に運用に投入されたクラス25NCは、クラス25凝縮式の非凝縮式バージョンであった。[ 1 ] [ 2 ]
トゥーズ川とキンバリーの間、およびデ・アールから南西アフリカ（SWA）に至るグレート・カルーのような乾燥地帯では、適切な水を十分に確保することが困難であったため、南アフリカ鉄道（SAR）は1930年代後半にはすでに凝縮式機関車の導入の可能性を真剣に検討し始めていた。一時期はクラス12A 4-8-2機関車を凝縮式機関車に改造することも検討されたが、このアイデアは実行に移されなかった。[ 1 ]
凝縮式蒸気機関車は珍しいものでしたが、南アフリカでは目新しいものではありませんでした。最初の凝縮式蒸気機関車は、19世紀後半にすでに喜望峰で運行を開始していたからです。1886年から1888年の間に、ケープ銅鉱山会社は、ポート・ノロスとオオキープを結ぶ軌間2フィート6インチ（762 mm ）のナマクアランド鉄道で、0-4-0の車輪配置を持つウェルタンク式凝縮機関車3両を運行開始しました。[ 3 ]
SARでは、第二次世界大戦後になって初めて、改良型20形機関車で大規模な凝縮試験が実施された。1950年と1951年に東トランスバールとカルーで行われた20形機関車の試験で達成された約90%の水と10%の石炭の節約により、新しい凝縮機関車の設計を進めることが決定された。[ 1 ]
その結果生まれたクラス25 4-8-4ノーザン型凝縮式蒸気機関車は、SARの非連接式蒸気機関車の設計の究極形とみなすことができる。これは、1949年から1954年までSARの主任機械技師であったLCグラブの指揮の下で設計された。[1 ]
機関車の凝縮装置と凝縮炭水車の設計作業はヘンシェル＆ソン社が行い、同社は炭水車付きの機関車1両（製造番号28730、番号3451）を製造した。カッセルで試運転を行った後、グラスゴーのノース・ブリティッシュ・ロコモティブ・カンパニー（NBL）に送られ、そこでクラス25機関車の残りの3452から3540までの番号が付けられた。[ 4 ]これらは1953年から1955年の間に納入された。[ 1 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
ヘンシェルは、3451号機の完全な機関車と炭水車とは別に、特許を保有する凝縮式炭水車をさらに60両製造し、製造番号は28780から28839の範囲であった。また、25形と25NC形用の予備ボイラー4基も製造し、製造番号は28770から28773の範囲であった。最後の29両の凝縮式炭水車はNBLによって製造された。[ 5 ] [ 9 ] [ 10 ]
1963年、もう1台の凝縮式炭水車、3541号がSARのソルトリバー工場で製造された。これは、当初の注文で3つの予備フレーム（機関車用1つ、凝縮式炭水車用と非凝縮式炭水車用各1つ）が求められていた際に納入された予備の鋳造フレームに基づいている。[ 9 ] [ 11 ]
ボイラーはクラス 15Fのワトソン標準 No. 3Bボイラーに似ていたが、燃焼室を追加したことにより管板間の距離が22フィート 6インチ (6,858 ミリメートル)から19 フィート (5,791 ミリメートル)に短縮された。これにより総蒸発加熱表面積はわずかに減少したが、火室加熱表面積は 40% 増加し、火室と火格子面積の比率が改善された。ボイラーは南アフリカで製造および取り付けられたケープアスベストマットレスで断熱されていた。[ 6 ] [ 12 ]
凝縮式機関車では、使用済みの蒸気がリサイクルされ、水に凝縮されて再利用されました。蒸気は煙突から排出されなかったため、25形機関車の煙室には煙突の下に蒸気タービン駆動のファンがあり、通風を維持していました。また、偏向板は炭化物がファンブレードに過度の摩耗を引き起こすのを防ぐためのものでした。[ 1 ] [ 6 ] [ 13 ]
25形機関車の煙室は25NC形機関車と似ていたが、煙室前面下部に設置された排気蒸気タービンによって駆動される遠心送風機を収容するために前面が延長されていた。煙室前面板の中央にある通常の丸い煙室扉の他に、両形とも前面煙室板全体が煙室右側のラッパー板に蝶番で取り付けられ、さらに煙室前面のアングルリングにボルトで固定されていたため、送風機装置、過熱器ヘッダー、およびチューブへのアクセスが窮屈ではなくなった。[ 12 ]
ドラフトタービンは、走行中に機関車特有の甲高い音を発した。納入時のクラス25は通常の丸い煙室前面を備えていたが、後に排気蒸気タービンも覆うようにバンジョー型の延長部が追加されて変更された。使用済み蒸気は、機関車の左側の太いパイプを通って凝縮炭水車に戻された。[ 1 ] [ 5 ]
ウィットバンクの脆い石炭と機械式燃料供給によって発生する大量の炭化物に対処するために、煙室前面にバンジョー型の拡張改造が必要であることが判明した。これは、ヘンシェルの元の設計では、蓄積した炭化物を排気タービンから遠ざける能力が不十分であることが判明したためである。炭化物の大部分は、煙室前面下部のバンジョーの溝に集められ、そこからバンジョー扉の内側にある垂直蒸気排出管を通して定期的に排出され、煙突のすぐ前に排気された。[ 1 ] [ 6 ] [ 13 ]
運用中、25形機関車のタービン誘引通風は、25NC形機関車の通常の通風よりも実際に優れた性能を発揮した。凝縮器の利点の1つは、蒸気を発生させている間、ボイラー圧力が約15～20ポンド/平方インチ（103～138キロパスカル）のときに送風機を開いてファンを回転させ、火を吸い込み、蒸気圧の上昇を加速できることだった。非凝縮式機関車では、蒸気圧が低い間は送風機の力が弱かった。[ 14 ]
米国オハイオ州カントンのティムケン製ローラーベアリングが、3軸テンダー台車、連結棒、連結棒、クロスヘッドガジョンピンなど全体に使用され、機関車の先頭台車と連結車輪にはキャノン型車軸箱が採用された。以前のSARの慣行と比較すると、機械式潤滑の採用が目新しかった。16フィード潤滑装置が逆転リンクトラニオンから駆動された。クラス25は完全にローラーベアリングで支えられていたため、これらの巨大な機関車を動かすのにほとんど労力は必要なかった。[ 1 ] [ 6 ] [ 12 ]
シリンダーとフレームは米国で一体鋳造および機械加工され、鋼製シリンダーと蒸気室には鋳鉄製のライナーが取り付けられた。炭水車のフレームも一体型の鋼製鋳造品であった。アリゲーター型のクロスヘッドは垂直中心線で分割され、ピストンロッドの端にクランプされ、クロスヘッドの溝にかみ合う3つの円錐形のリングがあった。オリジナルの連結棒は通常の連結棒とは異なり、3本の独立したロッドを備えており、4つのナックルジョイントとピンが不要になっていた。[ 1 ] [ 6 ]
この機関車は、半径275フィート（84メートル）のカーブを、1 / 4インチ（6ミリメートル）の軌間拡大と4 + 1/2インチ（114ミリメートル）のカントで通過することができた。先頭台車の車輪、車軸、車軸箱はクラス15Fのものと互換性があるように設計されており、後部台車の車輪と車軸はクラス24の後部台車のものと互換性があった。[ 12 ]
機関車のブレーキは、エンジンに搭載された直径24インチ（610ミリメートル）のシリンダー2個と、炭水車に搭載された直径21インチ（533ミリメートル）のシリンダー4個によって作動した。炭水車の台車のブレーキ装置はそれぞれ独立しており、先頭の炭水車台車には手ブレーキが装備されていた。エンジンと炭水車のブレーキ配管には遅延弁が取り付けられており、列車全体に所定の制動が確立されるまで機関車のブレーキ作動を遅らせた。運転士のブレーキ弁は別になっており、列車のブレーキが解除されている間や真空状態が構築されている間も機関車のブレーキを作動させ続けることができた。[ 12 ]
CZ型凝縮式炭水車の全長のおよそ3分の1は石炭庫で占められており、そこには使用済み蒸気から油を除去する油分離装置と、最大毎時12,000ポンド（5,443キログラム）の石炭供給能力を持つ機械式給炭装置が備えられていた。後部3分の2は、両側に8つの大型ラジエーターが配置され、5つの蒸気駆動式屋根設置型ファンによって冷却されていた。5,000英ガロン（22,700リットル）の水容量は2つのタンクで構成されており、炭水車の中央、ラジエーターの間にある4,400英ガロン（20,000リットル）の清水タンクと、炭水車の胴体下部、台車の間にある600英ガロン（2,730リットル）の凝縮水タンクがあった。給水は、主タンクの冷水ではなく、凝縮水タンクの温水から直接供給された。[ 1 ] [ 2 ] [ 6 ] [ 12 ]
凝縮給水の温度が高すぎて通常のインジェクターでは使用できなかったため、ボイラーには運転室の下に設置された2台のターボポンプから給水が行われた。各ポンプの容量は約88英ガロン（400リットル） /分であった。[ 6 ] [ 12 ]
このシステムは非常に効率的であることが証明され、同じ水を最大 8 回使用することで水の消費量を最大 90% 削減し、クラス 25 機関車は給水なしで800 キロメートル (500 マイル)の航続距離を実現しました。さらに、高温凝縮水給水により石炭消費量が 7% 削減されました。[ 11 ] [ 13 ] [ 15 ] [ 16 ]
凝縮器付き炭水車は、CZ がクラス 25 が運行される予定だったカルー地方の首都ボーフォート ウェストの自動車登録記号でもあることから、タイプ CZ と分類されたのは適切であった。使用済み蒸気は煙突から排出されなかったため、凝縮器は南アフリカの鉄道で他の蒸気機関車とは全く異なる音を発した。非凝縮式で自由排気式のクラス 25NC 姉妹機関車は、特に負荷がかかっているときに蒸気機関車特有の鋭い咆哮を発したが、凝縮式クラス 25 はタービンの唸り音に加えて、より嗄れた空洞のシュッシュッという音を発した。[ 1 ] [ 2 ]
運用開始後まもなく、コネクティングロッドの故障、大端ベアリングの破損、アリゲータークロスヘッドのモーションガーダーの亀裂発生などの問題が発生した。南アフリカ科学産業研究評議会（CSIR）の支援を受けたSARエンジニアによる調査の後、クロスヘッド、スライドバー、およびカップリングロッドが改造された。クロスヘッドはシングルガイドバーを備えたマルチベアリングタイプに変更され、排気蒸気からシリンダーとバルブ潤滑油をろ過するより高度な方法が元の遠心分離機に置き換えられ、3つの独立したカップリングロッドは、ナックルジョイントを備えたより一般的なシングルカップリングロッドに置き換えられた。[ 1 ] [ 13 ] [ 17 ]
新品のテーパー状のティムケン製クランクピンローラーベアリングは、潤滑油がボイラーの下面に飛び散り、そこから最も低い位置まで流れ落ちて連結輪のタイヤに滴り落ちるという悪名高い問題がすぐに発生しました。このメーカーの欠陥はクラス25NCにも当てはまり、両クラスが滑りやすいという評判の理由の一つとなりました。ティムケンはすべてのベアリングが交換される前にこの問題を解決することができましたが、その時点ですでに機関車の約3分の2にはSKF製クランクピンボールベアリングを備えた再設計された連結棒が取り付けられていました。[ 13 ]
誘引通風装置にもかなりの問題が発生した。送風機の羽根は排気中の固体粒子によって激しいエッジ摩耗を受け、送風機と蒸気タービンの両方の羽根に亀裂が生じたため、SARの技術者、ヘンシェルの担当者、CSIRによる徹底的な調査が必要となった。[ 1 ] [ 17 ]
ブレードの根元の幅を7 ミリメートルから 14 ミリメートル (0.28 インチから 0.55 インチ) に広げることでブレードの破損問題を解決しようとする最初の試みは失敗に終わった。CSIR による疲労試験と応力解析の結果、タービンの回転速度の変化による遠心荷重の繰り返し変化の結果として、鋭いフィレットでの疲労により、両方のサイズのブレードが破損したことが判明した。解決策は、2 つの円錐ピンで支持された単一の「ロック」ブレードがどのローターでも破損したことがないことに気付いたときに得られた。ローター内の他のすべてのブレードの間にもそのような円錐ピンを導入すると、疲労試験により、ブレードがかなり強くなることがわかった。しばらくして、ブレードをローターの端に溶接することが、より安価で優れた代替手段であることが判明した。最終的に設計が修正され、再設計された排気ファンはマンガン鋼で製造され、問題は解決した。[ 13 ] [ 18 ]
クラス25は、水が貴重な資源であるカルー地方とカラハリ砂漠での作業のために特別に製造されました。当初は、トゥーズリバーからボーフォートウェストを経由してデアールに至る非電化本線で運行され、ブルートレインのような最高級の旅客列車を含むすべての貨物と旅客輸送を扱っていました。トゥーズリバーからボーフォートウェストまでの区間が電化されると、クラス25はボーフォートウェストとデアールの間での運行を継続しましたが、デアールとキンバリーの間、キンバリーから東のブルームフォンテーン、そして西のキンバリーからカラハリ砂漠のポストマスバーグ、シシェン、ホタゼルまで運行するようになりました。ポストマスバーグからは鉄鉱石とマンガン鉱石をブルームフォンテーンまで運び、そこでフリーステート州の電力の中継がハリズミスまで引き継ぎました。[ 11 ] [ 16 ] [ 19 ]
クラス25は複雑な機関車で、特に煙室内のタービン送風ファンには高いメンテナンスが必要でした。その羽根は排気中の固体粒子による損傷のため頻繁に交換する必要がありました。同様に複雑な凝縮式炭水車も頻繁なメンテナンスが必要でした。1973年から1980年の間に、20年間の運用を経て、以前はクラス25のみが運行していた路線に電気およびディーゼル電気牽引が導入されたことにより、凝縮式機関車のうち3451、3511、3540を除くすべてが、大規模なオーバーホールのために工場を通過する際に、自由排気式で非凝縮式の機関車に改造されました。改造された機関車はクラス25NCに再分類されました。[ 13 ] [ 20 ]
機械技師のデイビッド・ウォーデールがクラス25NC機関車をクラス26レッドデビルに改造した際に適用したガス生成燃焼システム（GPCS）の原理に従って、クラス25が不完全燃焼の結果として黒煙や炭化物の発生を減らすように改造されていたら、ファンブレードの炭化物による損傷の問題はほぼ解消されていたかもしれないと示唆されている。しかし、GPCSプログラムはクラス25の改造の終盤近くになってようやく始まった。[ 11 ] [ 21 ] [ 22 ]
最初の改造はデ・アールで3452号機に対して行われ、煙室からタービンと排気管を取り外し、ブラストパイプと煙突に交換した。炭水車からは凝縮装置が取り外されたが、元の清水タンクと凝縮水タンク、給水ポンプはそのまま残され、ラジエーターのフレームと屋根パネルが覆われた。そのため機関車の外観はほとんど変わらなかったが、3452号機の改造は後の改造に比べて美的には優れていたものの、十分な水を積載できなかった。[ 23 ]
残りの艦隊はケープタウンのソルトリバー工場で再建された。その過程で、凝縮ラジエーターと屋根ファンを取り外し、巨大な丸い屋根の水タンクに交換することで、凝縮式炭水車も通常の石炭と水の炭水車に改造された。[ 20 ]
テンダー改造の形状と外観は強度上の考慮事項によって決定されました。テンダーフレームを短くすることも検討されましたが、最終的にはそのまま維持されました。クラス25NCテンダータンクとバンカーをより長いタイプCZテンダーフレームに再現すると、許容軸重を大幅に超過することになります。テンダーの長い鋳鋼フレームは非常に柔軟でしたが、ラジエーターフレームと屋根が垂直方向の剛性に大きく貢献しました。改造されたテンダータンクの最終形状は十分な強度を備えており、半円形の上部はファンサポートを介して元の淡水タンクに溶接され、長い三角形のガセットがバンカー側面にセットされ、フレームの中間点を超えて伸びています。改造されたテンダーを備えた機関車はすぐにWorshondという愛称で呼ばれるようになりました。これはアフリカーンス語でダックスフントを意味し、文字通りソーセージ犬と訳されます。WorshondテンダーはタイプEW2に再分類されました。[ 9 ] [ 20 ] [ 23 ]
クラス25コンデンサー機関車がクラス25NC非コンデンサー機関車に改造された際、番号プレートは複製され、既存の「25」の隣に「非凝縮」を意味する追加の「NC」が押し込まれたため、プレート上のクラス表示が不均衡になった。そのため、4文字すべてがきちんと一直線に並び中央に配置されている機関車は、通常、元のクラス25NCとして識別できた。凝縮装置が取り外された後、これらの機関車はさらに11年間使用され、蒸気機関車が電気およびディーゼル電気牽引に完全に置き換えられた際にSARによって運用から外された。[ 11 ] [ 16 ] [ 24 ]
以下の25クラスが現存している。いずれもトランスネット・ヘリテージ財団が所有している。いずれも運行はしていない。
機関車の番号、製造者、工場番号、炭水車製造者が表に記載されています。製造者の工場リストには、すべての機関車が 1953 年に製造されたと記載されています。炭水車は、エンジン用に 3451 から 3540 の範囲で番号が付けられ、1963 年にソルトリバーで製造された追加の予備炭水車は 3541 番でした。すべての炭水車は、製造時に使用されたエンジンと同じ工場番号を持っていましたが、ノースブリティッシュロコモティブカンパニー Ltd. が製造したエンジン用にヘンシェルが製造した 60 台の炭水車は例外で、これら 60 台にはヘンシェルの工場番号が割り当てられました。[ 1 ] [ 2 ] [ 9 ] [ 11 ]
