El sistema de escape de una locomotora de vapor consta de aquellas partes de una locomotora de vapor que juntas descargan el vapor de escape de los cilindros para aumentar el tiro a través del fuego. Suele consistir en el tubo de explosión (o boquilla de primera etapa), caja de humo y chimenea , aunque los diseños posteriores también incluyen boquillas de segunda y tercera etapa.
La primacía del descubrimiento del efecto de dirigir el vapor de escape hacia la chimenea como medio para proporcionar tiro a través del fuego es motivo de cierta controversia; Ahrons (1927) dedicó gran atención a este asunto. El escape de los cilindros de la primera locomotora de vapor, construida por Richard Trevithick , se dirigía hacia la chimenea, y en ese momento notó su efecto en el aumento del tiro a través del fuego. En Wylam, Timothy Hackworth también empleó un tubo explosivo en sus primeras locomotoras, pero no está claro si se trató de un descubrimiento independiente o de una copia del diseño de Trevithick. Poco después de Hackworth, George Stephenson también empleó el mismo método, pero nuevamente no está claro si fue un descubrimiento independiente o una copia de un diseño de uno de los otros ingenieros.
Las locomotoras de la época empleaban una caldera de un solo conducto de humos o un único conducto de retorno , con la rejilla de fuego en un extremo del conducto de humos. Para calderas de este diseño, la explosión de un tubo de escape con orificio contraído era demasiado fuerte y avivaría el fuego. No fue hasta el desarrollo de la caldera multitubular que el tubo de descarga con orificio contraído y colocado en el centro se convirtió en estándar. La combinación de caldera multitubular y chorro de vapor se cita a menudo como las razones principales del alto rendimiento del Rocket de 1829 en los Rainhill Trials .
Poco después de que se descubrió el poder del chorro de vapor, se hizo evidente que se necesitaba una caja de humo debajo de la chimenea, para proporcionar un espacio en el que los gases de escape que emergen de los tubos de la caldera pudieran mezclarse con el vapor. Esto tenía la ventaja adicional de permitir el acceso para recoger las cenizas extraídas a través de los tubos de combustión por la corriente de aire. El tubo de explosión, desde el cual se emite el vapor, estaba montado directamente debajo de la chimenea en la parte inferior de la cámara de humo.
El chorro de vapor se autorregula en gran medida: un aumento del consumo de vapor por los cilindros aumenta el chorro, lo que aumenta el tiro y, por tanto, la temperatura del fuego.
Las locomotoras modernas también están equipadas con un soplador , que es un dispositivo que libera vapor directamente en la caja de humos para usarlo cuando se necesita un mayor tiro sin que pase un mayor volumen de vapor a través de los cilindros. Un ejemplo de esta situación es cuando el regulador se cierra repentinamente o el tren pasa por un túnel. Si un túnel de una sola línea está mal ventilado, una locomotora que entre a alta velocidad puede provocar una rápida compresión del aire dentro del túnel. Este aire comprimido puede entrar en la chimenea con una fuerza considerable. Esto puede ser extremadamente peligroso si la puerta de la cámara de combustión está abierta en ese momento. Por este motivo, en estas situaciones se suele encender el ventilador para contrarrestar el efecto de compresión.
El objetivo del desarrollo del sistema de escape es obtener el máximo vacío en la cámara de humo con una mínima contrapresión en los pistones.
Poco desarrollo de los principios básicos del diseño de cajas de humo tuvo lugar hasta 1908, cuando WFM Goss de la Universidad Purdue llevó a cabo el primer examen exhaustivo del rendimiento de la generación de vapor . Estos principios fueron adoptados en el Great Western Railway por Churchward y posteriormente desarrollados por Samuel Ell en la década de 1950 utilizando la planta de pruebas estacionaria GWR (luego nacionalizada bajo BR). Ell pudo duplicar la velocidad máxima de vaporización de la clase GWR Manor mediante modificaciones aparentemente menores en el diseño frontal, y duplicó con creces la velocidad de un LNER V2.
Andre Chapelon hizo una mejora significativa con su escape Kylchap que incorporaba un esparcidor Kylälä (boquilla de segunda etapa) y una cubierta de tercera etapa entre el tubo de explosión (boquilla de primera etapa) y la chimenea. Se hizo popular al final de la era del vapor (principios y mediados del siglo XX) y se utilizó en el Mallard de Sir Nigel Gresley , que ostenta el récord mundial oficial de velocidad para locomotoras de vapor. Otros diseños contemporáneos incluyen los escapes Giesl y Lemaître , que logran el mismo objetivo por diferentes medios.
Livio Dante Porta , amigo de Chapelon, continuó el desarrollo y desarrolló los sistemas de escape Kylpor , Lempor y Lemprex . También desarrolló sofisticados modelos matemáticos para optimizar su uso en locomotoras específicas.
Con la desaparición de las operaciones comerciales de vapor en los principales ferrocarriles de todo el mundo, ha habido poca financiación para un mayor desarrollo de la tecnología de las locomotoras de vapor, a pesar de los avances en la tecnología de materiales y las técnicas de modelado por computadora que podrían haber permitido mayores mejoras en la eficiencia.
