Las turbotransmisiones son conjuntos de transmisión hidrodinámicos de múltiples etapas diseñados para vehículos ferroviarios que utilizan motores de combustión interna . La primera turbotransmisión fue desarrollada en 1932 por Voith en Heidenheim , Alemania . Desde entonces, las mejoras en las turbotransmisiones han ido paralelas a avances similares en los motores diésel y hoy esta combinación desempeña un papel de liderazgo en todo el mundo, sólo superada por el uso de propulsión eléctrica.
Las turbotransmisiones sirven como enlace hidrodinámico que convierte la energía mecánica de un motor en energía cinética de un fluido, a través de un convertidor de par y un acoplamiento de fluido , antes de producir la salida rotativa final. Aquí, el fluido es impulsado a través de canales de palas del rotor a altos caudales y baja presión. En esto se diferencian las turbotransmisiones de las transmisiones hidrostáticas similares , que funcionan con bajos caudales y alta presión según el principio de desplazamiento.
Las turbotransmisiones son conjuntos de propulsión hidrodinámicos de varias etapas cuyo rendimiento se basa en el principio de dinámica de fluidos de Föttinger . Los convertidores de par, los acoplamientos hidráulicos y los retardadores hidrodinámicos opcionales son los componentes clave de estos conjuntos, que son ideales para vehículos ferroviarios propulsados.
La primera transmisión turbo de 1932 tenía un diseño relativamente sencillo. Consistía en un único convertidor de par para la fase de arranque y un acoplamiento hidráulico para la fase de desplazamiento, ambos montados en un eje común. Una característica clave de esta turbotransmisión fue el llenado y vaciado del circuito hidrodinámico, un principio que se utilizó por primera vez en las transmisiones marinas de Föttinger. Esto ofrecía las ventajas de arranques sin fricción, cambios de marchas sin fricción con tracción constante, marcha libre mediante el vaciado del circuito hidrodinámico y un funcionamiento más eficiente del acoplamiento hidráulico.
Sin embargo, a diferencia de Föttinger, Voith utilizó aceite de baja viscosidad en lugar de agua en el circuito hidrodinámico de sus turbotransmisiones. Además, en la década de 1930 se introdujeron otras mejoras: la incorporación de un engranaje de alta velocidad, una carcasa más compacta, una mayor compatibilidad con diferentes tipos de motores, cambios de marcha automatizados y refrigeración mediante un intercambiador de calor .
En la década de 1960 también se introdujo el retardador hidrodinámico como tercera etapa que complementaba el convertidor de par y el acoplamiento hidráulico. En conjunto, todas estas mejoras de ingeniería tenían un objetivo común: aumentar continuamente el índice de rendimiento de la transmisión sin comprometer la complejidad de su instalación o su confiabilidad comprobada.
En 1969, se desarrolló la turbotransmisión T 211, más pequeña, como alternativa a las transmisiones hidromecánicas de autobús, y se diseñó para vagones diésel en el rango de baja potencia de 200 a 300 CV (149 a 224 kW). Al igual que la primera turbotransmisión, el T 211 utilizaba una combinación de convertidor-acoplamiento vinculado, pero también tenía una marcha de alta velocidad para una mayor eficiencia. Además, se agregó un conjunto de engranaje de marcha atrás y se podría instalar un retardador hidrodinámico opcional si fuera necesario. El convertidor tenía un diámetro de circuito hidrodinámico de 346 mm (13,6 pulgadas), mientras que el acoplamiento de fluido tenía un diámetro ligeramente menor de 305 mm (12,0 pulgadas). Y gracias a su engranaje de alta velocidad, el eje principal podía girar significativamente más, a 4.170 rpm. De este modo, el T 211 r disponía de reserva de potencia, lo que se reflejaba en los componentes mecánicos reforzados (engranajes, cojinetes y ejes), así como en el control de la transmisión. Al mismo tiempo, sin embargo, los diámetros del convertidor, del acoplamiento y del retardador se mantuvieron sin cambios. El caudal general dentro de los circuitos hidrodinámicos se incrementó para adaptarse a la potencia nominal más alta de 205 a 350 kW (275 a 469 hp). Con 350 kW (469 hp), el eje principal funcionaba a poco menos de 5.000 rpm, lo que daba como resultado velocidades de rotación para el convertidor (vacío) de 74 m/s cuando el vehículo alcanzaba su velocidad máxima. Para asegurar una adecuada refrigeración del convertidor durante las operaciones a alta velocidad, se instaló una bomba de fluido hidrodinámico más potente, que suministraba 3,5 L/s de aceite a través del intercambiador de calor durante la fase de marcha y 9,0 L/s en la fase de frenado, con el El rotor retardador también sirve como bomba de circulación adicional. Visto desde fuera, este cambio T 211 r se diferenciaba ligeramente de su predecesor, el T 211 re.3, con 320 kW (429 CV), sólo ligeramente por la incorporación de una unidad de control electrónica integrada y un filtro de aire de mayor tamaño.
También en 1978 apareció un nuevo tipo de caja de cambios hidráulica para trenes, la T320RZ + KB260 + HA.
En 1995 se desarrolló un diseño de transmisión completamente nuevo, el VT 611/612, para trenes de alta velocidad con tecnología basculante utilizados por Deutsche Bahn ( Ferrocarriles alemanes ). Este nuevo concepto de transmisión utilizaba un diseño de convertidor-acoplamiento con un retardador de freno hidrodinámico T 312 integrado y tenía una potencia nominal de 650 kW. Para acortar la longitud total de la transmisión, se utilizó una construcción de doble eje sobre los engranajes altos, que era similar al diseño utilizado en las unidades de marcha atrás. La unidad de control electrónico también estaba integrada en la transmisión. Además, los cilindros de inversión de la transmisión se accionaban hidráulicamente, lo que eliminaba la necesidad de tener un suministro de aire comprimido a bordo. Cinco años más tarde se desarrolló la transmisión de fibra T 212 con una potencia de 460 kW. Esta transmisión tenía un diseño similar, pero a diferencia de otras transmisiones grandes, la T 212 bre podía montarse directamente en el motor de accionamiento. Esta fue una ventaja significativa, porque dio como resultado una combinación de motor y transmisión muy compacta para trenes de alta velocidad que podían viajar a hasta 200 km/h. El T 212 bre tenía las mismas dimensiones de circuito hidrodinámico que el T 211 r, pero tenía la ventaja adicional de una mayor eficiencia de acoplamiento para trenes que circulaban a sólo el 50% de su velocidad máxima. Para los trenes diésel de alta velocidad esto era importante porque permitía mejorar drásticamente el consumo de combustible.
En 1999 se desarrolló una nueva transmisión de doble convertidor, la L 620 reU2, para locomotoras de alto rendimiento. El nuevo L 620 reU2 estaba equipado tanto con un convertidor de arranque de 525 mm de diámetro como con un convertidor de fase de marcha de 434 mm de diámetro. El diseño del nuevo L 620 re U2 se basó en su exitoso predecesor, el L 520 rzU2, que tenía una potencia de 1.400 kW. Sin embargo, esta nueva transmisión tenía una potencia significativamente mayor, 2.700 kW, por lo que prácticamente todos sus componentes tuvieron que ampliarse y reforzarse. En la versión estándar de la transmisión, se montaron dos engranajes en el eje secundario en lugar de utilizar la rueda loca que se encontraba en el antiguo L 520 rzU2. Como resultado, la velocidad de salida del eje de transmisión se podía ajustar para adaptarse a los requisitos de potencia de la locomotora. El cojinete principal del eje de transmisión también se amplió a 550 mm. En general, esta nueva transmisión de alto rendimiento ilustró claramente la enorme capacidad de los acoplamientos hidrodinámicos. Con una relación peso-potencia de sólo 2,06 kg/kW, la nueva L 620 reU2 estableció un récord en transmisiones de locomotoras. En comparación, la transmisión similar L 520 rzU2 tenía una relación peso-potencia mucho mayor: 2,4 kg/kW. Además, como componente opcional estaba disponible un retardador hidrodinámico de nuevo diseño, el KB 385. En Vossloh , el fabricante de locomotoras con sede en Kiel, se instalaron estas transmisiones en sus locomotoras principales G1700 y G2000. Finalmente, el último desarrollo es la transmisión LS 640 reU2 que se utilizará por primera vez en la locomotora Voith Maxima de 3.600 kW. La LS 640 reU2 es una denominada turbotransmisión dividida que utiliza dos árboles de transmisión de la L 620 reU2 para accionar ambos bogies de una locomotora diésel de seis ejes.
Las condiciones de funcionamiento de los vehículos ferroviarios son los factores clave para determinar los requisitos de potencia tanto de sus motores como de sus transmisiones. Estas condiciones de funcionamiento cubren: el transporte de cargas para locomotoras diésel , la capacidad de pasajeros para vagones diésel , la topografía de la línea ferroviaria y las condiciones climáticas cuando el vehículo se utiliza fuera de Europa. Las condiciones de funcionamiento previstas forman parte de las exigencias técnicas de un vehículo y determinan los siguientes puntos:
La velocidad máxima, el peso del vehículo, la tasa de aceleración y la pendiente del ferrocarril influyen en las especificaciones de rendimiento de un motor. Sumado a eso, también es necesario considerar los requisitos de los sistemas auxiliares, como unidades de aire acondicionado, sistemas de enfriamiento de motores, compresores de freno y, en algunos casos, la necesidad de una fuente de alimentación separada para hacer funcionar los sistemas de aire acondicionado y calefacción de cada uno. coche de pasajeros. Aquí se puede seleccionar una amplia gama de motores diésel , desde motores en V de gran tamaño para locomotoras hasta motores planos de 6 cilindros para vagones motorizados o incluso los motores compactos de 12 cilindros que suelen utilizarse en vehículos utilitarios. Para la mayoría de los vagones motorizados modernos, la solución preferida es una combinación de motor y transmisión montados bajo el piso.
En las transmisiones turbo, el convertidor de par es claramente la pieza central de toda la construcción y durante las últimas décadas sus continuas mejoras han sido las principales responsables de satisfacer las demandas cada vez mayores de los vehículos con motor diésel. Aquí, el objetivo de cada mejora ha sido una mayor eficiencia y un mejor rendimiento de arranque, sin comprometer las dimensiones del convertidor de arranque, así como la carga constante del convertidor de fase de viaje cuando está en tránsito. De los muchos diseños diferentes de convertidores de par, el convertidor de una sola etapa que utiliza una turbina de flujo centrífugo ha demostrado ser el mejor. Tiene una construcción relativamente simple y, debido a la estabilidad radial de su turbina, el convertidor es muy adecuado para operaciones a altas revoluciones.
En la década de 1970, gracias a los nuevos desarrollos del convertidor de par con características de tracción mejoradas (acercándose a la tracción de arranque), se diseñó una transmisión de dos convertidores para reemplazar la transmisión de tres convertidores utilizada anteriormente. E incluso hoy en día se siguen mejorando los convertidores de par, aunque ya se encuentran en una fase avanzada. La dinámica de fluidos computacional (CFD) moderna ahora puede proporcionar a los ingenieros información detallada sobre los patrones de flujo dentro de una rueda de turbina giratoria. Aquí, el circuito lleno de aceite en el que gira la turbina se representa como una cuadrícula computarizada que muestra las características del flujo en cada intersección de la cuadrícula. Para cada uno de estos puntos, se puede calcular el volumen, la velocidad y la presión del flujo. Más adelante, durante la fase de análisis, se puede ver un modelo tridimensional del patrón de flujo del circuito y se pueden identificar las interrupciones del flujo que reducen la eficiencia del convertidor, como: remolinos, turbulencias en la superficie y flujos de fluido mal dirigidos a lo largo de la rueda de la turbina. Además, además de visualizar estas interrupciones del flujo, los ingenieros también pueden utilizar CFD para calcular la pérdida resultante en la eficiencia del convertidor.
Al final, la relación entre los cambios en los patrones de flujo de un circuito convertidor y la eficiencia de un convertidor de par se puede utilizar para identificar áreas potenciales de mejora. Los valores previstos coinciden en gran medida con las mediciones operativas reales, aunque se producen algunas diferencias debido al uso de simulaciones simplificadas que ahorran tiempo. Aún así, CFD permite la optimización de los convertidores existentes, así como el desarrollo de nuevos tipos de convertidores virtuales a través de la computadora. Posteriormente, la fase de desarrollo concluye con la construcción de un prototipo y la verificación de los resultados reales del rendimiento.