Una locomotora de turbina de vapor es una locomotora impulsada por una turbina de vapor . A pesar de las ventajas obvias en forma de alta eficiencia , economía y la posibilidad de utilizar combustible barato de baja calidad, este tipo de locomotora, a pesar de varios intentos de construcción relativamente exitosos, no ha recibido ninguna distribución notable en las redes ferroviarias del mundo .
El uso de una turbina de vapor para impulsar una locomotora de vapor prometía una mayor eficiencia económica manteniendo los límites superiores de presión y temperatura de una caldera de vapor convencional. Mediante el uso de un condensador, el gradiente de presión en el sistema de vapor podría llevarse a un nivel de vacío. La eficiencia del sistema, teniendo en cuenta el ahorro de vapor o combustible, alcanzó el 30%. Además, una pequeña turbina podría colocarse económicamente en una locomotora. Debido al diseño, todas las partes de la turbina en contacto con el vapor podrían diseñarse para operar sin lubricación y sin necesidad de limpieza regular. El ciclo de agua cerrado permitió utilizar el destilado sin impurezas incrustantes y las pérdidas de agua en el sistema fueron extremadamente bajas.
Los intentos de fabricar pequeñas centrales eléctricas de vapor estándar con turbinas de vapor siempre se han visto limitados por la baja eficiencia de dichas centrales. Por ejemplo, en el libro de F. Boyko "Locomotoras de vapor de transporte industrial" se indica que a mediados de los años 50, el turbogenerador de una locomotora de vapor de 1 kW consumía 100 kg de vapor por 1 kWh de potencia (eficiencia - 1%% ), y en el libro P. Chernyaev "Las centrales eléctricas de barcos y su funcionamiento" (libro de texto para universidades): se indica que a mediados de los años 70, las principales centrales eléctricas de vapor con turbinas alcanzaron una eficiencia del 35%, pero el vapor de barcos pequeños las unidades de potencia con una capacidad de 15 a 50 kW (para accionar mecanismos auxiliares de barcos) consumían hasta 30 kg de vapor por hora por 1 kW de potencia, que es 5 veces peor que la máquina principal. La dificultad para que las turbinas pequeñas alcancen valores de eficiencia altos, que son típicos de las turbinas grandes, radica en el cambio en la relación de las velocidades del vapor que sale de las boquillas y las velocidades circunferenciales de los álabes de la turbina, ya que los diámetros de los los rotores de las turbinas pequeñas disminuyen. Con una disminución en las dimensiones generales de una planta de energía de vapor con turbina, su eficiencia termodinámica disminuye y el precio por 1 kW de potencia agregada aumenta. Entonces, en las centrales eléctricas de vapor con turbinas de vapor en el ciclo ORC del fabricante italiano "TURBODEN", la eficiencia en electricidad es muy baja: solo el 18%. En la práctica, tales problemas también eran característicos de una locomotora de turbina de vapor (y una locomotora de turbina de gas ), junto con una serie de otras dificultades.
- activando la marcha atrás de la caja de cambios;
- transmisión inversa en un acoplamiento hidráulico cuando se usa un HMF (no implementado en ningún lugar en la práctica);
- se instala una turbina inversa adicional.
Las locomotoras turbo con transmisión eléctrica están libres de este inconveniente.
Todas las locomotoras de turbina de vapor se dividen en dos tipos principales según el método de transmisión del par a las ruedas motrices:
El Ferrocarril de Pensilvania operaba la locomotora de turbina de vapor más grande del mundo. Esta locomotora (tipo S2, #70900) tenía una turbina construida por Baldwin Locomotive Works . La locomotora entró en circulación en septiembre de 1944. Se suponía que el diseño original era una fórmula 4-8-4 , pero debido a la escasez de materiales estructurales ligeros durante la guerra, la S2 se convirtió en la única locomotora del mundo construida según la Fórmula 6-8-6 .
La turbina S2 tipo PRR No. 6200 tenía una potencia de 6900 hp. (5100 kW ) y permitía alcanzar velocidades de hasta 160 km/h (100 mph). Junto con el ténder, la locomotora tenía 123 pies (37,5 m) de largo. La turbina de vapor era una turbina de barco modificada. A pesar de que la transmisión mecánica es más simple que la eléctrica, resultó ser un defecto fatal: las turbinas son ineficientes a bajas velocidades. A velocidades inferiores a 64 km/h, consumía una cantidad excesiva de vapor y combustible. Sin embargo, a altas velocidades, el S2 tiraba de trenes pesados prácticamente sin problemas y con gran eficiencia. El buen funcionamiento de la turbina proporcionó un impacto mucho menor en la vía en comparación con una locomotora de vapor convencional.
Sin embargo, la baja eficiencia a bajas velocidades mató a la turbina, y una vez que las locomotoras diésel comenzaron a salir a la carretera , no se construyeron más S2. La locomotora se puso fuera de servicio en 1949 y en mayo de 1952 se desguazó.
Reino UnidoUna de las locomotoras de turbina de vapor más exitosas se creó en Gran Bretaña . La LMS Turbomotive [1] era una locomotora de 4-6-2 ejes sin condensador de vapor. A pesar de ello, tenía una eficiencia térmica superior a las locomotoras convencionales. Esto fue el resultado del hecho de que las seis boquillas que enviaban vapor a la turbina podían controlarse (abrirse y cerrarse) de forma independiente entre sí. Los creadores se inspiraron un poco en los diseños de las turbinas del diseñador sueco Fridrik Ljungström ( Fredrik Ljungström ).
Después de once años de servicio pesado, la turbina principal falló, y en 1949 el Turbomotive se convirtió en una locomotora de vapor convencional, y después del accidente ferroviario de 1952 conocido como el descarrilamiento del tren Harrow and Wyldstone [2] , se retiró del servicio.
AlemaniaLos constructores de locomotoras en Alemania también hicieron varios intentos de crear locomotoras de este tipo . En 1928 , Krupp - Zoelly construyó una locomotora de turbina de vapor accionada mecánicamente . El vapor residual de la turbina se alimentaba a un condensador, lo que ahorraba agua y aumentaba la eficiencia térmica de la turbina. Se utilizó una chimenea con caja de humos para la salida de los productos de combustión gastados . En 1940 esta locomotora fue alcanzada por una bomba. Fue dado de baja y no restaurado.
Maffei también construyó una máquina similar en 1929 . A pesar de la alta presión de vapor en la caldera, tenía una eficiencia menor que la locomotora Krupp - Zelli . En 1943 también fue dañado por una bomba y dado de baja.
Henschel ( Henschel-Werke ) en 1927 convirtió una locomotora de vapor ordinaria en una locomotora de turbina de vapor. Las ruedas motrices adicionales debajo del ténder eran impulsadas por una turbina . El vapor agotado en los cilindros se suministró a la turbina, y el vapor agotado en la turbina entró en el condensador. Los productos de la combustión también se ventilaban a través de una chimenea con caja de humo . Sin embargo, la eficiencia decepcionó a los creadores y la turbina fue retirada de la licitación. [3]
FranciaSe hicieron dos intentos en Francia. El primer Nord Turbine , tanto en apariencia como en diseño, se parecía al LMS Turbomotive británico . Sin embargo, el proyecto se abandonó y la locomotora se construyó con una máquina de vapor compuesta convencional. Otro intento, la construcción de SNCF 232Q1 , se realizó en 1939. Era inusual porque las ruedas motrices no estaban conectadas al mecanismo de distribución de vapor. Cada uno de los tres ejes motrices tenía su propia turbina. La locomotora resultó gravemente dañada por las tropas alemanas durante la Segunda Guerra Mundial y fue desguazada en 1946.
SuizaLa empresa suiza Zoelly construyó una locomotora de turbina de vapor en 1919. Tenía una fórmula axial 4-6-0 y estaba equipada con un condensador de vapor . También estaba equipado con un ventilador en la rejilla de la caldera, que enfriaba ligeramente el aire que entraba en la chimenea en lugar de usar una caja de humo . Esta solución, aunque evitaba las dificultades asociadas con la construcción de una tubería, que debe soportar gases corrosivos calientes, dio lugar a nuevos problemas. La cámara de fuego de la caldera operaba a presión positiva y los gases calientes, junto con las cenizas, podrían salir expulsados por las puertas del horno si se abrieran durante el funcionamiento. Este diseño potencialmente peligroso finalmente fue reemplazado por una chimenea de caja de humo .
ItaliaEn Italia, Giuseppe Belluzzo construyó varias locomotoras de turbina de vapor experimentales . Pero ninguno de ellos ha sido probado en las principales carreteras. La primera era una pequeña locomotora con cuatro ruedas, cada una impulsada por su propia turbina. La inversa se proporcionó suministrando vapor a las turbinas a través de una boquilla inversa. Las turbinas de vapor están diseñadas para girar solo en una dirección, lo que hace que este método sea extremadamente ineficiente. Nadie más ha hecho tal intento.
Belluzzo también contribuyó al desarrollo en 1931 de la locomotora 2-8-2 construida por la empresa de Ernesto Breda . Utilizaba cuatro turbinas como parte de una máquina de expansión múltiple . [4] [5]
En 1933, una de las locomotoras de la fórmula 2-6-2 de los Ferrocarriles Estatales Italianos ( FS ) fue convertida en una turbina de vapor. Hizo un viaje de prueba de Florencia a Pistoia , no hay más información disponible.
SueciaEl ingeniero sueco Fredrik Ljungström desarrolló muchas locomotoras de turbina de vapor experimentales diferentes, algunas de ellas con mucho éxito .
El primer intento se hizo en 1921 y fue más bien una curiosidad técnica. [6] Los tres ejes motrices se colocaron debajo del ténder, mientras que la casa del conductor y la caldera se ubicaron sobre los ejes de dirección. Como resultado, solo una pequeña parte del peso de la locomotora participó en la creación de la tracción .
El segundo desarrollo fueron las aparentemente exitosas locomotoras de carga de fórmula 2-8-0 . [7] Construido en 1930 y 1936. firma Nydqvist and Holm ( Nydqvist & Holm ), estas locomotoras han reemplazado a las locomotoras de vapor convencionales en la línea Grängesberg- Oxelösund (Grängesberg-Oxelösund) . No había condensador de vapor, porque su complejidad superaba las ventajas en términos de termodinámica. Las ruedas se movían mediante una transmisión cardán. Estas locomotoras no se retiraron hasta la década de 1950 cuando se electrificó la línea . Se han conservado dos copias de esta serie y se pueden ver en Grengesberg , Suecia .
ArgentinaEn la vía Tucumán - Santa Fe , que discurre por terreno montañoso, existen pocos lugares convenientes para reabastecerse de agua. En 1925, la empresa sueca Nydqvist & Holm ( Nydqvist & Holm, Nydqvist & Holm AB ) construyó una locomotora de turbina de vapor, similar al primer proyecto de Ljungström . El condensador funcionó bastante bien: solo se perdió el 3 o 4 por ciento del agua en el camino, e incluso así solo debido a una fuga del tanque. Sin embargo, la locomotora no era confiable y posteriormente fue reemplazada por una locomotora de vapor de condensación.
En 1938, la General Electric Corporation construyó dos locomotoras de turbina a vapor con transmisión eléctrica fórmula 2-C+C-2 ( 4-6-6-4 ) para el Ferrocarril Union Pacific . Estas locomotoras eran esencialmente plantas de energía extremadamente móviles y correspondientemente complejas. Estas fueron las únicas locomotoras de condensador de vapor que alguna vez operaron en los Estados Unidos. Una caldera Babcock & Wilcox proporcionaba vapor y un generador eléctrico colocado frente a la locomotora generaba electricidad para alimentar los motores de tracción .
El control de la caldera estaba mayormente automatizado; dos locomotoras podrían trabajar juntas en un sistema de muchas unidades bajo el control de un conductor. Como combustible se utilizó fuel oil , el mismo que luego se utilizó en las locomotoras de turbina de gas de Union Pacific .
En 1939, Union Pacific puso en servicio las locomotoras, pero las devolvió un año después, citando resultados insatisfactorios. Las locomotoras turbo fabricadas por General Electric se utilizaron en 1943, durante un período de falta de potencia de tracción, en el GN ( Great Northern Railway ), y demostraron ser bastante buenas. [9]
Durante los años crepusculares del vapor, Baldwin Locomotive Works hizo varios intentos de desarrollar una tecnología alternativa a la propulsión diésel. En 1944, se produjo la locomotora Pennsylvania Railroad S2 , construida según la fórmula 6-8-6 (ver arriba).
Entre 1947 y 1948 Baldwin Locomotive Works construyó tres locomotoras eléctricas únicas de turbina de vapor alimentadas con carbón diseñadas para dar servicio a trenes de pasajeros en Chesapeake & Ohio Railway Ferrocarril de Chesapeake y Ohio (C&O) . Tenía la designación oficial M1, pero debido a sus costos operativos extremadamente altos y su bajo rendimiento, fue apodada la "Vaca Sagrada" ( "Sacred Cow" ). Con una potencia de 6000 hp, estaban equipados con equipos eléctricos fabricados por Westinghouse Electric ( Westinghouse Electric ) y disposición según la fórmula 2-C1 + 2-C1-2. Tenían 106 pies (32 m) de largo, lo que las convertía en las locomotoras más largas del mundo jamás construidas para el servicio de pasajeros. La cabina del conductor estaba montada en el medio del cuerpo, los depósitos de carbón estaban en la cabeza y la caldera del tipo de locomotora habitual estaba detrás (solo se almacenaba un suministro de agua en la ténder). [10] Se suponía que estas locomotoras iban a funcionar en la línea entre Washington y Cincinnati, Ohio , pero ni un solo viaje estuvo libre de averías graves. El polvo de carbón y el agua a menudo entraban en los motores de tracción. Dado que la solución de problemas tomó bastante tiempo, se consideró que estas locomotoras siempre serían demasiado costosas para operar, y las tres se enviaron a chatarra en 1950.
En mayo de 1954, Baldwin construyó una locomotora eléctrica de turbina de vapor de 4.500 hp . para el servicio de trenes de carga en Norfolk and Western Railway( N&W ), apodado "Jawn Henry" en honor al héroe del folclore estadounidense John Henry ( John Henry ), un ferroviario que ganó la competencia contra un martillo de vapor, sin embargo, murió inmediatamente después de la victoria. La unidad parecía una locomotora turbo para Chesapeake & Ohio Railway, sin embargo, era muy diferente mecánicamente; su fórmula axial era C+C-C+C, estaba equipada con una caldera acuotubular Babcock & Wilcox adaptada para control automatizado. [11] Desafortunadamente, el control de la caldera causó problemas y, al igual que en la locomotora C&O , el polvo de carbón y el agua entraron en los motores. 4 de enero de 1958 "Jawn Henry" dejó su reloj en Norfolk and Western Railway.
Reino UnidoLa locomotora turbo Reid-Ramsey ( Reid-Ramsey ), construida en 1910 por NBL (North British Locomotive Company) , tenía una fórmula axial 2-B + B-2 (4-4-0 + 0-4-4). Poco se sabe de él; se supone que su diseño no tuvo éxito. Más tarde, se convirtió en una locomotora de turbina de vapor con transmisión mecánica, que se discutió anteriormente. [12]
La locomotora de la firma Sir WG Armstrong Whitworth & Co Ltd ( Armstrong, Whitworth and Co ) tenía una fórmula axial 1-C + C-1 (2-6-6-2). Tenía un condensador de vapor giratorio en el que el vapor se condensaba al pasar por una serie de tubos giratorios. Las tuberías se humedecieron y enfriaron mediante la evaporación del agua. La pérdida de agua por evaporación fue mucho menor que en ausencia de un condensador. El flujo de aire en el condensador tomó un camino tortuoso, reduciendo la eficiencia del condensador. La locomotora era prohibitivamente pesada y tenía baja eficiencia. En 1923, fue devuelto a la planta y cortado en chatarra.
URSS y RusiaAunque todavía no ha sido posible encontrar evidencia convincente de que en los años 30 del siglo XX se llevaron a cabo desarrollos similares en la URSS (los archivos de la Planta de Locomotoras de Lugansk fueron destruidos parcial o casi por completo durante su evacuación en 1941), sin embargo, varias décadas después, diseñada a principios de la década de 1980, aunque por razones obvias, la locomotora de propulsión nuclear que no entró en construcción en serie era esencialmente también una locomotora de turbina de vapor con transmisión de potencia, para generar vapor, en la que un BOR-60 debería haberse utilizado un reactor de neutrones rápidos en lugar de una caldera de vapor.
Extreme Steam: variaciones inusuales de la locomotora de vapor (inglés) (enlace no disponible) . El Museo de la Tecnología Retro . Douglas Self (26 de julio de 2010). — Locomotoras extremas e inusuales. Consultado el 16 de mayo de 2012. Archivado desde el original el 27 de junio de 2012.
Locomotoras de turbina de vapor (enlace no disponible) . Consultado el 14 de junio de 2015. Archivado desde el original el 7 de junio de 2015.
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