Una locomotora de turbina de gas es un tipo de locomotora ferroviaria en la que el motor principal es una turbina de gas . Se han desarrollado varios tipos de locomotoras de turbina de gas, que difieren principalmente en los medios por los que se transmite la potencia mecánica a las ruedas motrices (tracción). Un tren de turbina de gas consta normalmente de dos vagones motrices (uno en cada extremo del tren) y uno o más vagones de pasajeros intermedios .
Una turbina de gas ofrece algunas ventajas sobre un motor de pistón . Hay menos piezas móviles, lo que disminuye la necesidad de lubricación y reduce potencialmente los costos de mantenimiento, y la relación potencia-peso es mucho mayor. Una turbina de una potencia de salida determinada también es físicamente más pequeña que un motor de pistón igualmente potente, de modo que una locomotora puede ser extremadamente potente sin necesidad de ser excesivamente grande.
Sin embargo, la potencia de salida y la eficiencia de una turbina de gas caen drásticamente con la velocidad de rotación , a diferencia de un motor de pistón, que tiene una curva de potencia comparativamente plana. Esto hace que los sistemas GTEL sean útiles principalmente para recorridos de alta velocidad y largas distancias. Los problemas adicionales con las locomotoras eléctricas con turbina de gas incluyen el hecho de que son muy ruidosas [1] [2] y producen gases de escape tan extremadamente calientes que, si la locomotora estuviera estacionada debajo de un paso elevado pavimentado con asfalto, podría derretir el asfalto. [3]
En 1861, Marc Antoine Francois Mennons patentó una locomotora de turbina de gas (patente británica n.º 1633). [4] Los dibujos de la patente de Mennons muestran una locomotora con un sistema de ruedas 0-4-2 y una carcasa cilíndrica que se asemeja a una caldera. En la parte delantera de la carcasa se encuentra el compresor, al que Mennons llama ventilador. Este suministra aire a una cámara de combustión y los gases calientes de la cámara de combustión impulsan una turbina en la parte trasera de la carcasa. El escape de la turbina viaja hacia adelante a través de conductos para precalentar el aire entrante. La turbina impulsa el compresor a través de engranajes y un eje externo. Hay engranajes adicionales en un eje intermedio que impulsa las ruedas a través de barras laterales. El combustible es sólido (presumiblemente carbón, coque o madera) y hay un depósito de combustible en la parte trasera. No hay evidencia de que la locomotora fuera realmente construida, pero el diseño incluye las características esenciales de las locomotoras de turbina de gas construidas en el siglo XX, incluido el compresor, la cámara de combustión, la turbina y el precalentador de aire.
Los trabajos que condujeron al surgimiento de la locomotora de turbina de gas comenzaron en Francia y Suecia en la década de 1920, pero la primera locomotora no apareció hasta la década de 1940. El alto consumo de combustible fue un factor importante en la decadencia de las locomotoras de turbina de gas convencionales y el uso de un motor de pistón como generador de gas probablemente daría un mejor ahorro de combustible que un compresor de tipo turbina, especialmente cuando funcionaba a menos de la carga completa.
Una opción es una máquina de dos ejes , con turbinas separadas para accionar el compresor y el eje de salida. Otra opción es utilizar un generador de gas independiente , que puede ser de tipo rotativo o de pistón.
Las locomotoras con turbina de gas utilizan una transmisión mecánica para transmitir la potencia de las turbinas de gas a las ruedas. Debido a la diferencia de velocidades, esto es un desafío técnico, por lo que una transmisión mecánica no apareció hasta diez años después de las primeras transmisiones eléctricas.
La primera locomotora mecánica con turbina de gas del mundo, la 040-GA-1 de 1.000 CV (0,75 MW), fue construida por Renault en 1952 y tenía un motor de pistón libre Pescara como generador de gas. Le siguieron otras dos locomotoras, la 060-GA-1 de 2.400 CV (1,8 MW) en 1959-61. [5]
El generador de gas Pescara en 040-GA-1 consistía en un motor diésel de dos tiempos , monocilíndrico y horizontal con pistones opuestos . No tenía cigüeñal y los pistones se devolvían después de cada carrera de potencia por compresión y expansión de aire en un cilindro separado. El escape del motor diésel impulsaba la turbina de gas que impulsaba las ruedas a través de una caja de cambios de dos velocidades y ejes de hélice. [6] : 142–3 El motor de pistón libre fue patentado en 1934 por Raúl Pateras Pescara .
En la URSS se construyeron varias locomotoras similares en la Fábrica de Locomotoras de Járkov . [5]
La locomotora de gas fue construida por Gotaverken . Tenía un motor diésel vertical de cinco cilindros y dos tiempos con pistones opuestos. Había un solo cigüeñal conectado a los pistones superior e inferior. El escape del motor diésel impulsaba la turbina de gas que impulsaba las ruedas a través de un engranaje reductor, un eje intermedio y bielas laterales.
En la antigua Checoslovaquia se pensó en la posibilidad de utilizar turbinas para la tracción ferroviaria . Se construyeron dos prototipos propulsados por turbinas, denominados TL 659.001 y TL 659.002, que contaban con una disposición de ruedas CC, una turbina principal de 3200 CV (2,4 MW), una turbina auxiliar y un motor diésel auxiliar Tatra 111 .
El primer prototipo (TL 659.001) se terminó en febrero de 1958 y estaba previsto que se exhibiera en la Expo '58 . Sin embargo, esto se canceló porque no estuvo listo a tiempo. Las primeras pruebas fuera de fábrica se llevaron a cabo en marzo de 1959 en la línea Pilsen - Cheb - Sokolov . El 15 de mayo de 1959, el primer prototipo tiró de su tren más pesado, 6.486 t (7.150 toneladas cortas), pero la turbina se incendió solo un día después. El motor nunca fue restaurado y finalmente fue desguazado.
El segundo prototipo (TL 659.002) se construyó con las lecciones aprendidas del primero. Salió de la fábrica en marzo de 1960 y fue la única locomotora de turbina que pasó las pruebas para el servicio regular en las vías de los antiguos Ferrocarriles Estatales Checoslovacos . Se probó cerca de Kolín y Plzeň con resultados dispares. Esta máquina fue retirada del servicio en abril de 1966 y vendida a la Universidad de Žilina como instrumento educativo. Fue desguazada algún tiempo después.
Aunque los experimentos tuvieron resultados mixtos, éstas eran las locomotoras con un sistema de propulsión puramente mecánico más potentes del mundo y también las locomotoras de tracción independiente más potentes de Checoslovaquia.
La British Rail GT3 era una máquina sencilla que consistía esencialmente en una turbina de gas estándar alimentada con petróleo montada en un chasis de locomotora de vapor estándar, construida como demostración por English Electric en 1961. Su simplicidad casi cruda le permitió evitar gran parte de la falta de confiabilidad que había plagado las complejas GTEL experimentales 18000 y 18100 en años anteriores, pero no logró ser competitiva frente a la tracción convencional y fue desechada.
Ejemplos de locomotoras mecánicas con turbinas de gas:
Una locomotora eléctrica con turbina de gas (GTEL) es una locomotora que utiliza una turbina de gas para accionar un generador eléctrico o alternador , lo que produce una corriente eléctrica que se utiliza para alimentar los motores de tracción . Este tipo de locomotora se experimentó por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial , pero alcanzó su apogeo en los años 1950 y 1960. Pocas locomotoras utilizan este sistema en la actualidad.
Una GTEL utiliza un sistema de propulsión turboeléctrico en el que un motor de turboeje impulsa el generador eléctrico o alternador a través de un sistema de engranajes . La corriente eléctrica se distribuye para alimentar los motores de tracción que impulsan la locomotora. En términos generales, el sistema es muy similar a un motor diésel-eléctrico convencional , en el que el gran motor diésel se sustituye por una turbina de gas más pequeña de potencia similar .
Union Pacific operaba la flota más grande de este tipo de locomotoras de cualquier ferrocarril del mundo, y era el único ferrocarril que las utilizaba para transportar mercancías. La mayoría de las demás GTEL se han construido para pequeños trenes de pasajeros, y solo unas pocas han tenido un éxito real en esa función. Con el aumento de los costos del combustible (que finalmente condujo a la crisis del petróleo de 1973 ), las locomotoras de turbina de gas se volvieron antieconómicas de operar, y muchas fueron retiradas de servicio. Las locomotoras de Union Pacific también requerían más mantenimiento del previsto originalmente, debido a la suciedad de las aspas de la turbina por el aceite Bunker C utilizado como combustible.
En 1939, los Ferrocarriles Federales Suizos encargaron a Brown Boveri una GTEL con una potencia máxima de motor de 1.620 kW (2.170 CV) . Se completó en 1941 y luego se sometió a pruebas antes de entrar en servicio regular. La Am 4/6 fue la primera locomotora eléctrica con turbina de gas del mundo. Estaba destinada principalmente a operar trenes de pasajeros ligeros y rápidos en rutas que normalmente manejaban un tráfico insuficiente para justificar la electrificación .
Great Western Railway (GWR) encargó dos locomotoras de turbina de gas de diferente diseño, 18000 y 18100, pero fueron completadas para los recién nacionalizados Ferrocarriles Británicos .
La British Rail 18000 fue construida por Brown Boveri y entregada en 1949. [7] Era una GTEL de 1840 kW (2470 hp), encargada por GWR y utilizada para servicios exprés de pasajeros.
El British Rail 18100 fue construido por Metropolitan-Vickers y entregado en 1951. Tenía una turbina de gas tipo avión de 2,2 MW (3000 hp). Su velocidad máxima era de 90 millas por hora (140 km/h). [8]
Una tercera locomotora, la GT3 , fue construida en 1961. Aunque fue construida por English Electric , que había sido pionera en la transmisión eléctrica con las locomotoras LMS 10000 , ésta utilizaba una transmisión mecánica de turbina. [9]
El prototipo del tren de pasajeros avanzado , el APT-E de British Rail , estaba propulsado por turbinas. Al igual que el TGV francés , los modelos posteriores utilizaban un sistema de propulsión eléctrico alternativo. Esta elección se tomó porque British Leyland , el proveedor de turbinas, cesó la producción del modelo utilizado en el APT-E, tras haber perdido interés en la tecnología de turbinas de gas tras la crisis del petróleo de los años 1970. [ 10]
En 1948, ALCO-GE construyó un prototipo de locomotora eléctrica con turbina de gas alimentada con petróleo, con una disposición de ruedas BBBB . Después de las pruebas de demostración, fue adquirida por Union Pacific , que buscaba una alternativa más potente al diésel para los trenes transcontinentales. [11]
A principios de los años 50, la Union Pacific tenía una flota de 55 locomotoras de carga impulsadas por turbinas, todas fabricadas por Alco-GE. Las versiones de primera y segunda generación compartían la misma disposición de ruedas que el prototipo; la versión de tercera generación era del tipo CC . Todas se utilizaban ampliamente en rutas de larga distancia y eran rentables a pesar de su bajo consumo de combustible, debido al uso de combustibles "residuales" de la industria petrolera. En su apogeo, el ferrocarril estimó que impulsaban aproximadamente el 10% de los trenes de carga de Union Pacific, un uso mucho más amplio que cualquier otro ejemplo de esta clase. A medida que se encontraron otros usos para estos subproductos más pesados del petróleo, en particular para plásticos, el costo del combustible Bunker C aumentó hasta que las unidades se volvieron demasiado caras de operar y se retiraron del servicio en 1969.
En abril de 1950, Baldwin y Westinghouse completaron una locomotora de turbina experimental de 4000 hp (3000 kW), la n.° 4000, conocida como Blue Goose , que también utilizaba la disposición de ruedas BBBB. La locomotora utilizaba dos motores de turbina de 2000 hp (1500 kW), estaba equipada para calentar trenes de pasajeros con un generador de vapor que utilizaba el calor residual de los gases de escape de la turbina de la derecha y estaba preparada para alcanzar las 100 millas por hora (160 km/h). Si bien se demostró con éxito en el servicio de carga y pasajeros en la PRR , la MKT y la CNW , no hubo órdenes de producción y se desguazó en 1953. [12]
En la década de 1960, United Aircraft construyó el tren de pasajeros Turbo , que fue probado por Pennsylvania Railroad y luego utilizado por Amtrak y Via Rail . El Via permaneció en servicio hasta la década de 1980 y tuvo un excelente historial de mantenimiento durante este período, pero finalmente fue reemplazado por el LRC en 1982. Amtrak compró dos tipos diferentes de trenes propulsados por turbinas , que se denominaron Turboliners . Los conjuntos del primer tipo eran similares en apariencia al T 2000 Turbotrain de SNCF, aunque el cumplimiento de las normas de seguridad de la FRA los hacía más pesados y lentos que los trenes franceses. Ninguno de los Turboliners del primer tipo permanece en servicio. Amtrak también agregó una serie de Rohr Turboliners ( o RTL) con nombres similares a su lista. Hubo planes para reconstruirlos como RTL III, pero este programa fue cancelado. Las unidades propiedad del estado de Nueva York se vendieron como chatarra y los tres trenes RTL restantes se almacenan en North Brunswick, Nueva Jersey y New Haven, Connecticut . [13]
En 1966, el Ferrocarril de Long Island probó un vagón experimental con turbina de gas (numerado GT-1 ), propulsado por dos motores de turbina Garrett . Este vagón se basaba en un diseño Budd Pioneer III , con transmisiones similares a las RDC de Budd de la década de 1950. El vagón fue modificado posteriormente (como GT-2 ) para añadir la capacidad de funcionar también con un tercer riel eléctrico. [14] [15]
En 1977, el LIRR probó ocho vagones de modo dual más, eléctricos/eléctricos con turbina de gas, en un experimento patrocinado por el USDOT . Cuatro de estos vagones tenían trenes de potencia diseñados por GE , mientras que los otros cuatro tenían trenes de potencia diseñados por Garrett (se habían pedido cuatro vagones más con trenes de potencia GM / Allison , pero se cancelaron). Estos vagones eran similares a los vagones M1 EMU del LIRR en apariencia, con la adición de pozos de escalones para cargar desde plataformas de nivel bajo. Los vagones sufrieron de bajo consumo de combustible y problemas mecánicos, y fueron retirados del servicio después de un corto período de tiempo. Los cuatro vagones con motor GE se convirtieron en M1 EMU y los vagones Garrett fueron desguazados. [16]
En 1997, la Administración Federal de Ferrocarriles (FRA) solicitó propuestas para desarrollar locomotoras de alta velocidad para rutas fuera del Corredor Noreste donde la electrificación no era económica. Bombardier Ltd, en la planta de Plattsburg, Nueva York, donde se produjo el Acela , desarrolló un prototipo ( JetTrain ) que combinaba una turbina de gas Pratt & Whitney Canada PW100 y un motor diésel con una sola caja de cambios que alimentaba cuatro motores de tracción idénticos a los del Acela. El diésel proporcionaba potencia en la parte delantera y tracción a baja velocidad, y la turbina no se ponía en marcha hasta después de salir de las estaciones. El prototipo se completó en junio de 2000 y las pruebas de seguridad se realizaron en la pista de pruebas de la FRA en Pueblo, Colorado, a principios del verano de 2001. Se alcanzó una velocidad máxima de 156 millas por hora (251 km/h). Luego, el prototipo fue llevado de gira por posibles sitios para el servicio de alta velocidad, pero aún no se ha iniciado ningún servicio.
Dos tipos de locomotoras eléctricas con turbina de gas fueron sometidos a pruebas en la Unión Soviética. El programa de pruebas comenzó en 1959 y duró hasta principios de la década de 1970. La locomotora de carga GTEL G1-01, producida por Kolomna Locomotive Works , estaba destinada a constar de dos locomotoras con una disposición de ruedas CC, pero solo se construyó una sección. La locomotora de pasajeros GP1 era un diseño similar con carrocería de locomotora diésel TEP60 , también con una disposición de ruedas CC, introducida en el programa de pruebas en 1964. Kolomna Works construyó dos unidades, GP1-0001 y GP1-0002, que también se utilizaron en servicio regular con trenes de pasajeros. Ambos tipos tenían una potencia máxima de 2600 kW (3500 hp). [17]
En 1960, la empresa Luhansk Locomotive Works desarrolló y fabricó otra locomotora de carga hidráulica con turbina de gas soviética, el tipo GT101 . Al igual que la locomotora G1, estaba destinada a constar de dos secciones de un sistema de ruedas CC, pero solo se construyó una sección. Esta sección estaba equipada con cuatro generadores de gas de pistón libre y una turbina de gas con una potencia máxima de 2200 kW (3000 hp), y una transmisión hidráulica. A diferencia de otras locomotoras, no estuvo en servicio regular. [18]
En 2006, los Ferrocarriles Rusos introdujeron la locomotora de maniobras GEM-10 GTEL. La turbina funciona con gas natural licuado (GNL) y tiene una potencia máxima de 1.000 kW (1.300 CV). La GEM-10 tiene una disposición de ruedas CC. La TGEM10-0001, que utiliza la misma turbina y combustible que la GEM-10, es una locomotora de maniobras GTEL de dos unidades ( vaca-ternero ) con una disposición de ruedas B-B+BB . La unidad esclava de esta locomotora se utiliza como ténder de combustible con gas natural comprimido (GNC) y no tiene un motor primario , por lo que sus motores de tracción son alimentados por la sección principal. La turbina de esta locomotora también tiene una potencia máxima de 1.000 kW (1.300 CV). [19]
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La locomotora de carga GT1-001 GTEL, reconstruida a partir de una locomotora eléctrica VL15 en 2006 e introducida en 2007, funciona con GNL y tiene una potencia máxima de 8.300 kW (11.100 hp). [20] Una sección lleva el tanque de GNL y la otra alberga la turbina con generación de energía eléctrica, y ambas secciones tienen motores de tracción y cabinas. La locomotora tiene una disposición de ruedas BB-B+BBB , y se pueden acoplar hasta tres locomotoras GT1. [21] El 23 de enero de 2009, la GT1-001 realizó una prueba de funcionamiento con un tren de 159 vagones que pesaba 15.000 toneladas métricas (14.800 toneladas largas; 16.500 toneladas cortas); En diciembre de 2010 se llevaron a cabo más pruebas de transporte pesado. [22] En una prueba realizada en septiembre de 2011, la locomotora tiró de 170 vagones de carga que pesaban 16.000 toneladas métricas (15.700 toneladas largas; 17.600 toneladas cortas). [23] En 2012, el motor diésel auxiliar utilizado para operaciones de maniobras se reemplazó por un acumulador y la locomotora pasó a llamarse GT1h (donde "h" significa híbrido ). La GT1h-001 siguió siendo un prototipo y nunca entró en producción. [24]
La sucesora de la GT1h-001 es la GT1h-002. A pesar de la misma designación de tipo, esta locomotora tiene un diseño fundamentalmente diferente con una disposición de ruedas (BB)-(BB)+(BB)-(BB) , derivada de la locomotora de maniobras diésel TEM7, y la nueva carrocería con tanque de GNL abierto, derivada de la carrocería de la locomotora eléctrica 2ES6. Este tipo de serie tiene una potencia máxima de 8.500 kW (11.400 CV). [24] Ambas locomotoras GT1h están en funcionamiento en Egorshino en la región de los Urales . [17]
Canadian National Railways (CN) fue uno de los operadores de la línea Turbo , que pasó a manos de Via Rail . Operaron en la importante ruta Toronto-Montreal entre 1968 y 1982, cuando fueron reemplazadas por la LRC .
En 2002, Bombardier Transportation anunció el lanzamiento del JetTrain , un tren de alta velocidad compuesto por vagones basculantes y una locomotora impulsada por un motor turboeje Pratt & Whitney . Se hicieron propuestas para utilizar los trenes en las rutas Quebec-Windsor, Orlando-Miami y Alberta, Texas, Nevada y el Reino Unido. Se construyó y probó un prototipo, pero todavía no se ha vendido ningún JetTrain para su uso. Sin embargo, ninguna de estas propuestas se materializó y el JetTrain prácticamente desapareció, siendo reemplazado por la línea Zefiro de Bombardier de trenes de alta y muy alta velocidad con propulsión convencional. El JetTrain ya no aparece en ninguno de los sitios web actuales de Bombardier ni en sus materiales promocionales, aunque todavía se puede encontrar en sitios web más antiguos que llevan los logotipos de Canadair.
El primer prototipo de TGV , el TGV 001 , funcionaba con una turbina de gas, pero los elevados precios del petróleo obligaron a cambiar a líneas eléctricas aéreas para el suministro de energía. Sin embargo, a principios de los años 70 se construyeron dos grandes clases de vagones interurbanos propulsados por turbinas de gas ( ETG y RTG ) que se utilizaron ampliamente hasta aproximadamente el año 2000.
La SNCF (Ferrocarriles Nacionales Franceses) utilizó una serie de trenes con turbina de gas, llamados Turbotrain , en territorio no electrificado . Estos trenes normalmente consistían en un vagón motor en cada extremo con tres vagones entre ellos. El Turbotrain estuvo en uso hasta 2005. Después de retirarse, se vendieron cuatro trenes para su uso posterior en Irán.
En los años 1940 y 1950 se llevaron a cabo investigaciones, tanto en los EE. UU. como en el Reino Unido, destinadas a construir locomotoras de turbina de gas que pudieran funcionar con carbón pulverizado . El principal problema era evitar la erosión de los álabes de la turbina por partículas de ceniza. Solo se sabe que se fabricó un ejemplar funcional y se descartó como un fracaso después de las pruebas. Las fuentes de la siguiente información son Robertson [25] y Sampson. [6]
En 1946, una asociación Northrop - Hendy lanzó un intento de adaptar el motor de avión Northrop Turbodyne para su uso en locomotoras, con polvo de carbón en lugar de queroseno como combustible. En diciembre de 1946, Union Pacific donó su locomotora aerodinámica M-10002 retirada al proyecto. Sin embargo, el proyecto fue abandonado a fines de 1947 y no hay evidencia clara de que la locomotora proporcionada para el experimento haya realmente movido con energía de turbina de gas o incluso la haya instalado. [26] Los detalles de la investigación fueron pasados a la London, Midland and Scottish Railway de Gran Bretaña . Después de un aumento en los precios del combustible que estaba haciendo que sus GTELs a petróleo fueran antieconómicos, UP revivió experimentalmente la idea de la turbina de gas a carbón a principios de la década de 1960, produciendo un prototipo de GTEL a carbón en octubre de 1962. Los problemas con el ensuciamiento y la erosión de las palas fueron graves. El proyecto fue declarado un fracaso después de 20 meses, tiempo durante el cual la locomotora corrió menos de 10,000 millas.
El 23 de diciembre de 1952, el Ministerio de Combustibles y Energía del Reino Unido encargó una locomotora de turbina de gas alimentada con carbón para su uso en los ferrocarriles británicos . La locomotora la construiría la North British Locomotive Company y la turbina la suministraría CA Parsons and Company .
Según Sampson, el plan era utilizar un sistema de calentamiento indirecto. El carbón pulverizado se quemaría en una cámara de combustión y los gases calientes pasarían a un intercambiador de calor . Aquí, el calor se transferiría a un cuerpo separado de aire comprimido que accionaría la turbina. Básicamente, habría sido un motor de aire caliente que utilizaría una turbina en lugar de un pistón.
Robertson muestra un diagrama que confirma la información de Sampson pero también hace referencia a problemas de erosión de los álabes de la turbina por la ceniza. Esto es extraño porque, con un intercambiador de calor tubular convencional , no habría riesgo de que entraran cenizas en el circuito de la turbina.
Ciclo de trabajo
Había dos circuitos separados, pero vinculados: el circuito de combustión y el circuito de la turbina.
Especificación
La locomotora nunca se construyó, pero la especificación era la siguiente:
El resultado proyectado fue:
La transmisión debía ser mecánica, a través de una caja de cambios de dos velocidades, lo que proporcionaba una velocidad alta para el transporte de pasajeros y una velocidad más baja para el transporte de mercancías. Las cifras de esfuerzo de tracción, citadas anteriormente, parecen sospechosamente altas para las velocidades especificadas. Parece más probable que las cifras citadas sean para el esfuerzo de tracción inicial y la velocidad máxima en marcha alta y marcha baja respectivamente. Hay un modelo de la locomotora propuesta en el Museo de Transporte de Glasgow y algunos registros se conservan en el Museo Nacional del Ferrocarril .