Las transmisiones turbo son conjuntos de transmisión hidrodinámicos de varias etapas diseñados para vehículos ferroviarios que utilizan motores de combustión interna . La primera transmisión turbo fue desarrollada en 1932 por Voith en Heidenheim , Alemania . Desde entonces, las mejoras en las transmisiones turbo han ido en paralelo a avances similares en los motores diésel y hoy en día esta combinación desempeña un papel destacado en todo el mundo, superada únicamente por el uso de transmisiones eléctricas.
Las transmisiones turbo sirven como un 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 rotatoria final. Aquí, el fluido se impulsa a través de los canales de las palas del rotor a altos caudales y baja presión. Aquí es donde las transmisiones turbo se diferencian de las transmisiones hidrostáticas similares , que funcionan con caudales bajos y alta presión según el principio de desplazamiento.
Las transmisiones turbo son conjuntos de transmisión 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 motorizados.
La primera transmisión turbo de 1932 tenía un diseño relativamente sencillo: estaba formada por un único convertidor de par para la fase de arranque y un acoplamiento hidráulico para la fase de desplazamiento, ambos montados sobre un eje común. Una característica fundamental de esta transmisión turbo era 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 un arranque sin fricción, un cambio de marcha sin fricción con tracción constante, marcha libre mediante el vaciado del circuito hidrodinámico y un funcionamiento más eficiente del acoplamiento hidráulico.
A diferencia de Föttinger, Voith utilizó aceite de baja viscosidad en el circuito hidrodinámico de sus turbotransmisiones en lugar de agua. 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 automáticos y refrigeración mediante un intercambiador de calor .
En la década de 1960, también se introdujo el retardador hidrodinámico como una tercera etapa que complementaba al convertidor de par y al acoplamiento hidráulico. En conjunto, todas estas mejoras de ingeniería tenían un objetivo común: aumentar continuamente el rendimiento de la transmisión sin comprometer su complejidad de instalación ni su fiabilidad probada.
En 1969 se desarrolló la turbotransmisión T 211, más pequeña, como alternativa a las transmisiones hidromecánicas para autobuses, diseñada para vagones diésel en el rango de potencias bajas de 200 a 300 CV (149 a 224 kW). De forma similar a la primera turbotransmisión, la T 211 utilizaba una combinación de convertidor-acoplamiento enlazado, pero también tenía un engranaje de alta velocidad para una mayor eficiencia. Además, se añadió un conjunto de engranaje inversor y se podía instalar un retardador hidrodinámico opcional si era necesario. El convertidor tenía un diámetro de circuito hidrodinámico de 346 mm (13,6 in), mientras que el acoplamiento hidráulico tenía un diámetro ligeramente menor de 305 mm (12,0 in). Y debido a su engranaje de alta velocidad, el eje principal podía girar significativamente más alto, a 4.170 rpm. Como resultado, la T 211 r tenía potencia de reserva, lo que se reflejaba en sus componentes mecánicos reforzados (engranajes, cojinetes y ejes), así como en los controles de la transmisión. Al mismo tiempo, sin embargo, los diámetros del convertidor, el acoplamiento y el retardador permanecieron inalterados. El caudal total dentro de los circuitos hidrodinámicos se incrementó para acomodar la mayor potencia nominal de 205 a 350 kW (275 a 469 CV). A 350 kW (469 CV), el eje principal giraba 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 garantizar una refrigeración adecuada del convertidor durante las operaciones de 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 durante la fase de frenado, y el rotor del retardador también servía como bomba de circulación adicional. Visto desde fuera, esta transmisión T 211 r se diferenciaba de su predecesora, la T 211 re.3 con 320 kW (429 CV), sólo ligeramente por la incorporación de una unidad de control electrónico 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 de inclinación utilizados por la Deutsche Bahn ( Ferrocarriles alemanes ). Este nuevo concepto de transmisión utilizaba un diseño de acoplamiento de convertidor con un retardador hidrodinámico T 312 bre 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 las marchas altas, que era similar al diseño utilizado en las unidades de inversión. La unidad de control electrónico también estaba integrada en la transmisión. Además, los cilindros de inversión de la transmisión se operaban hidráulicamente, lo que eliminaba la necesidad de tener un suministro de aire comprimido a bordo. Cinco años más tarde, se desarrolló la transmisión T 212 bre con una potencia nominal de 460 kW. Esta transmisión era similar en diseño, pero a diferencia de otras transmisiones grandes, la T 212 bre podía montarse directamente en el motor de accionamiento. Esto supuso una ventaja importante, ya que permitió obtener una combinación de motor y transmisión muy compacta para trenes de alta velocidad que podían circular a velocidades de hasta 200 km/h. El T 212 bre tenía las mismas dimensiones del circuito hidrodinámico que el T 211 r, pero además tenía la ventaja de una mayor eficiencia de acoplamiento para trenes que circulaban a tan solo el 50% de su velocidad máxima. Para los trenes diésel de alta velocidad esto era importante, ya que permitía una mejora drástica del consumo de combustible.
En 1999 se desarrolló una nueva transmisión de doble convertidor, la L 620 reU2, para locomotoras de alto rendimiento de línea principal. La nueva L 620 reU2 estaba equipada con un convertidor de arranque, con un diámetro de 525 mm, así como con un convertidor de fase de marcha, con un diámetro de 434 mm. El diseño de la nueva L 620 re U2 se basaba en su predecesora de éxito, la L 520 rzU2, que tenía una potencia nominal de 1.400 kW. Sin embargo, esta nueva transmisión tenía una potencia nominal significativamente mayor, 2.700 kW, por lo que prácticamente todos sus componentes tuvieron que ser ampliados y reforzados. 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 la antigua 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 ha ampliado hasta los 550 mm. En general, esta nueva transmisión de alto rendimiento ilustra claramente la enorme capacidad de los acoplamientos hidrodinámicos. Con una relación peso-potencia de tan solo 2,06 kg/kW, la nueva L 620 reU2 estableció un récord para las transmisiones de locomotoras. En comparación, la transmisión similar L 520 rzU2 tenía una relación peso-potencia mucho mayor, de 2,4 kg/kW. Además, estaba disponible como componente opcional un retardador hidrodinámico de nuevo diseño, el KB 385. En Vossloh , el fabricante de locomotoras con sede en Kiel, estas transmisiones se instalaron en sus locomotoras de línea principal 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 transmisión turbo dividida que utiliza dos ejes de transmisión del L 620 reU2 para accionar ambos bogies de una locomotora diésel de seis ejes.
Las condiciones de funcionamiento de los vehículos ferroviarios son factores clave para determinar los requisitos de potencia tanto de sus motores como de sus transmisiones. Estas condiciones de funcionamiento abarcan: el transporte de cargas en el caso de las locomotoras diésel , la capacidad de transporte de pasajeros en el caso de los 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 los requisitos técnicos 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. Además de eso, también deben considerarse los requisitos de los sistemas auxiliares, como las unidades de aire acondicionado, los sistemas de refrigeración del motor, los compresores de freno y, en algunos casos, la necesidad de una fuente de alimentación independiente para hacer funcionar los sistemas de aire acondicionado y calefacción de cada vagón de pasajeros. En este caso, se puede seleccionar una gama de motores diésel , desde grandes motores en V con bastidor para locomotoras hasta motores planos de 6 cilindros con subsuelo para vagones motorizados o incluso los motores compactos de 12 cilindros que suelen utilizar los 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 mejoras continuas han sido las principales responsables de satisfacer las demandas cada vez mayores de los vehículos con motor diésel. En este caso, 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 convertidor 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 adecuado para operaciones de altas revoluciones.
En la década de 1970, gracias a los nuevos desarrollos de convertidores de par con características de tracción mejoradas (que se acercaban 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, los convertidores de par siguen mejorándose, aunque han alcanzado una etapa 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 de flujo, la velocidad y la presión. Más tarde, durante la fase de análisis, se puede ver un modelo tridimensional del patrón de flujo del circuito y se pueden identificar interrupciones del flujo que reducen la eficiencia del convertidor, como: remolinos, turbulencia superficial y flujos de fluido mal dirigidos a lo largo de la rueda de la turbina. 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 de mejora potenciales. En gran medida, los valores predichos coinciden bien con las mediciones operativas reales, aunque se producen algunas diferencias debido al uso de simulaciones simplificadas que ahorran tiempo. Aun así, la CFD permite la optimización de convertidores existentes, así como el desarrollo de nuevos tipos de convertidores virtuales mediante computadora. Posteriormente, la construcción de un prototipo y la verificación de los resultados de rendimiento reales concluyen la fase de desarrollo.