Un motor de vapor es una forma de máquina de vapor utilizada para locomotoras ligeras y automóviles ligeros autopropulsados utilizados en ferrocarriles. [1] Los orígenes de los automóviles a vapor para ferrocarriles se remontan al menos a la década de 1850, si no antes, como economizaciones experimentales para ferrocarriles o ferrocarriles con presupuestos marginales. Estos primeros ejemplos, al menos en América del Norte, parecen haber estado equipados con motores alternativos ligeros y transmisiones directas o con engranajes, o transmisiones con cadena sin fin con engranajes. La mayoría incorporaban un vagón de transporte de pasajeros unido (generalmente de forma rígida) al motor y su caldera. Los tipos de calderas variaban en estos primeros ejemplos, con calderas verticales dominantes en la primera década (como un ahorro de espacio) y luego con calderas horizontales de diámetro muy pequeño. Otros ejemplos de automóviles a vapor incorporaban una carrocería de vagón de equipaje exprés o de tipo equipaje, con un aparato de acoplamiento provisto para permitir que el automóvil a vapor arrastrara un vagón de pasajeros ligero.
Un ejemplo temprano con el todo en uno (vagón, equipaje, correo y/o compartimentos de envío exprés) fue fotografiado en funcionamiento en el Ferrocarril de Nashville, Chattanooga y St. Louis durante la Guerra Civil estadounidense, en Tennessee, alrededor de 1863-64. [2] Una empresa estadounidense, Grice & Long, ideó varias versiones a mediados de la década de 1860 para su uso en ferrocarriles urbanos y suburbanos, utilizando sus patentes mecánicas patentadas. [3] En la década de 1930, algunos motores de vapor altamente evolucionados representaron uno de los desarrollos finales de la locomotora de vapor . El desarrollo simultáneo de los vagones de ferrocarril propulsados por combustión interna o con motor eléctrico resultó más popular alrededor de 1900-1950 y aquellos que obviaron la necesidad de vagones propulsados por vapor.
Al parecer, todos los automóviles con motor de vapor dependían de un equipo de propulsión económico y de una fuente de vapor. La facilidad de mantenimiento era aparentemente otra consideración importante, al menos tanto como los costos iniciales de fabricación. El principio de las últimas versiones del motor de vapor es utilizar los desarrollos del motor de vapor de alta velocidad y aplicarlos a las locomotoras ligeras. En lugar de una gran locomotora convencional con solo dos [i] cilindros, que se mueven a la velocidad de las ruedas motrices, el motor de vapor utiliza varios cilindros pequeños engranados para funcionar a altas velocidades. Con todos los demás factores constantes, duplicar la velocidad de un motor de pistón duplica su potencia. El motor de vapor permitió utilizar motores pequeños y ligeros. Como muchas de las pérdidas de rendimiento del motor permanecen constantes, o también están relacionadas con el tamaño del motor, estos pequeños motores también podrían ser más eficientes en general.
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Todos los motores de vapor tenían las siguientes características:
Los motores de los últimos modelos eran de tamaño estándar, según la línea de productos del fabricante. Cuando se necesitaba mayor potencia, se utilizaban varios motores, uno por eje o bogie .
En la forma más moderna de los motores de vapor, el cigüeñal y, a menudo, el mecanismo de válvulas estaban encerrados dentro de un cárter que contenía un cárter de aceite. Esto proporcionaba un generoso suministro de lubricación y también excluía la suciedad. Ejemplos mucho más antiguos, por ejemplo, de mediados del siglo XIX, empleaban todo tipo de mecanismos con lubricación manual a través de pequeños colectores de goteo.
Esto permite una alta velocidad del cigüeñal, fomentando la eficiencia. [1] Aunque no todas las locomotoras de vapor con engranajes hicieron uso de esto, particularmente los diseños estadounidenses como el Shay y el Climax , fue una parte esencial del concepto de motor de vapor más moderno.
La transmisión final de las primeras locomotoras patentadas por Sentinel era por cadena . Los diseños posteriores, en particular los de Abner Doble, preferían los engranajes rectos . Las transmisiones por engranajes requerían que el motor de vapor se montara en una posición baja, junto al eje. Las transmisiones por engranajes aparecen en algunos de los primeros vagones a vapor utilizados en América del Norte, aunque las transmisiones alternativas más convencionales con un solo eje de potencia o ejes de potencia dobles, unidos por bielas, eran bastante comunes. La mayoría de estos utilizaban engranajes de válvulas de movimiento Stephenson convencionales.
El ahorro en el consumo de combustible y agua fue otro factor importante en la mayoría de los automóviles a vapor que se utilizaron en todo el mundo. El menor costo general de operación fue de gran importancia para los compradores. El combustible podía ser carbón y, en algunos casos menos frecuentes, petróleo de diversos tipos.
Los motores de vapor de fabricación tardía solían estar equipados con válvulas de asiento accionadas por árboles de levas . En los motores de vapor construidos por Sentinel, el motor se derivaba de su ya avanzado diseño de vagón de vapor.
En una locomotora de vapor convencional, la "relación de transmisión" se determina según el tamaño de las ruedas motrices. En los motores de vapor que utilizan una transmisión por engranajes, el tamaño de las ruedas se puede reducir. Esto permite obtener un chasis más ligero y compacto, en particular al reducir el peso no suspendido de las ruedas grandes. Las ruedas pequeñas también permiten montar el motor en un bogie dentro de un vagón de pasajeros para formar un automotor , en lugar de que las ruedas grandes sean del tamaño de una locomotora.
Estas características brindan ventajas:
Esto se debe principalmente a la alta velocidad de los motores modernos y al sistema de reducción, pero también a sus otras características de diseño avanzadas.
El uso de lubricación por baño de aceite reduce el tiempo empleado en la lubricación diaria .
El uso de lubricación por baño de aceite reduce la tasa de desgaste, reduciendo así la necesidad de mantenimiento periódico. Esto se debe principalmente a la exclusión de la suciedad, así como a la lubricación generosa y confiable. Aunque otros sistemas de baño de aceite en locomotoras de vapor, como el mecanismo de válvula accionado por cadena Bulleid , se ganaron una mala reputación en cuanto a confiabilidad, esto se debió principalmente a la dificultad de sellar un contenedor tan grande. Con el motor de vapor, solo el cárter relativamente pequeño del motor era una caja sellada.
El mantenimiento, cuando es necesario, implica componentes más pequeños. Son más fáciles de manipular y requieren menos equipos de elevación especializados. El motor también se puede desmontar fácilmente en una sola pieza para realizar tareas de mantenimiento, ya sea en el almacén o devolviéndolo al fabricante. Esto también permite que un vehículo vuelva a ponerse en servicio más rápidamente intercambiando las unidades del motor.
Los componentes se fabrican en mayor volumen, ya que muchos diseños de locomotoras pueden construirse en torno a diseños de motores estandarizados. La maquinaria necesaria para fabricar motores de vapor también es más pequeña, por lo que es menos especializada y más barata.
El accionamiento más suave del motorreductor y sus múltiples cilindros redujeron el efecto dinámico de las carreras individuales de los cilindros. [1]
Con múltiples motores, no es necesario un único bastidor grande para soportar todas las ruedas motrices. Esta era una característica atractiva para las locomotoras colombianas, donde se proporcionaba una locomotora potente sobre un chasis flexible.
Como las ruedas motrices eran pequeñas y articuladas, no era necesario utilizar ejes portantes separados. Todas las ruedas podían ser accionadas, de modo que todo el peso de la locomotora podía utilizarse para la adherencia.
Entre 1901 y 1908, la fábrica Ganz de Budapest y la de Dion-Bouton de París colaboraron para construir una serie de vagones para los Ferrocarriles Estatales Húngaros junto con unidades con calderas de Dion-Bouton, motores de vapor y equipos Ganz y vagones Raba construidos por la fábrica húngara de vagones y máquinas Raba en Győr. En 1908, la Borzsavölgyi Gazdasági Vasút (BGV), un ferrocarril de vía estrecha en la Rutenia de los Cárpatos (actual Ucrania), compró cinco vagones de Ganz y cuatro vagones de la Fábrica de Maquinaria del Ferrocarril Estatal Real Húngaro con calderas de Dion-Bouton. La empresa Ganz comenzó a exportar vagones con motor de vapor al Reino Unido, Italia, Canadá, Japón, Rusia y Bulgaria. [4] [5] [6]
La primera locomotora de múltiples cilindros que demostró algunos de los principios del motor de vapor fue la locomotora Paget de Midland Railway de 1907. [7] Este fue uno de los muchos intentos de construir una locomotora equilibrada, evitando así los problemas del golpe de martillo . [8] También siguió la práctica avanzada contemporánea de los motores estacionarios al utilizar cilindros de simple efecto . La locomotora ha sido descrita de diversas formas como inspirada en, o realmente utilizando, el diseño del motor Willans que representó el auge del diseño de motores de vapor en este momento. De hecho, las válvulas rotativas utilizadas para la locomotora eran completamente diferentes del husillo de válvula central característico de Willans, a pesar de que ambos usaban pistones de tronco de simple efecto . Se utilizaron ocho cilindros, dos impulsando el eje delantero de los tres ejes motrices, cuatro el eje medio y dos el eje trasero. Los tres ejes estaban acoplados por bielas externas . El eje central era una forja complicada como un eje de manivela interna de cuatro tiros, aunque siguiendo la práctica tradicional de Stephenson. Para proporcionar espacio adicional para los cilindros, la locomotora fue enmarcada en el exterior .
Una diferencia significativa entre la Paget y una locomotora con motor de vapor era que el mecanismo de válvulas de la Paget se accionaba de forma central, y cada válvula de los cilindros era impulsada por ejes con engranajes desde un único eje intermedio que, a su vez, era impulsado por las barras de acoplamiento.
Aunque la locomotora logró su objetivo de evitar vibraciones y golpes de martillo, y su novedosa caldera y su caja de fuego de ladrillo refractario también eran simples y confiables, no se consideró un éxito total. El mecanismo de distribución rotativo absorbía más potencia para accionarlo que un diseño convencional y sufría problemas de expansión térmica. Después de una falla mecánica del mecanismo de distribución que se atascó y bloqueó una línea principal durante varias horas, la locomotora fue retirada y luego desguazada.
Las primeras locomotoras diseñadas en torno al concepto de motor de vapor fueron de Sentinel . En 1922 se presentaron dos proyectos separados de motor de vapor basados en Sentinel. El primero, en mayo de 1922, fue el propio concepto de Sentinel para un motor de vapor ligero sobre rieles basado en su caldera y motor para vagones de vapor . [9] No se construyeron motores sobre rieles según este modelo, aunque más tarde se construyeron un par de "camiones de ferrocarril" similares para exportar a la India. [10]
Ese mismo año, Kyrle Willans [ii] [11] sugirió que una locomotora convencional desgastada, una Manning-Wardle llamada Ancoats , podría reconstruirse con la caldera y el motor de un vagón de vapor Sentinel en los bastidores de la locomotora, conectados por una transmisión por cadena de rodillos . [12] Esta fue la primera locomotora de vapor, y el primer ejemplo de motor de vapor para uso ferroviario, que construyó Sentinel. Aunque Sentinel se hizo conocida por sus locomotoras accionadas por engranajes, se siguieron produciendo otros ejemplos de esta conversión de una locomotora de varilla de acoplamiento más antigua; [13] sobreviven dos ejemplos, aunque abandonados, en el Museo del Hierro de Coalbrookdale .
La primera locomotora de nueva construcción de Sentinel, la Nº 5156, se construyó en julio de 1923. [14] Al igual que el diseño del motor ferroviario, esta utilizó el motor recientemente desarrollado del vagón Super-Sentinel , colocado horizontalmente entre los bastidores. [15] Este era de 750 mm ( 2 pies 5 pulgadas) de diámetro.+1 ⁄ 2 pulgada deancho de vía, lo que sentó un precedente para Sentinel en la construcción de locomotoras en una variedad deanchos de víasimplemente cambiando los ejes y los cojinetes debajo de un chasis estándar. La caldera utilizada también fue el nuevo modelo Super-Sentinel a 230 psi, con lacaja de fuego en "espiral".
Las Sentinel de producción lograron un diseño más accesible al montar sus motores verticalmente. El diseño más pequeño de "Motor equilibrado" [iii] tenía la caldera y el motor en extremos opuestos de los bastidores, con una carrocería baja sobre el tanque de agua, una cabina elevada y una pequeña carcasa cilíndrica sobre el motor. [iv] [16] El tipo más conocido fue el posterior "Motor central" [17] que colocaba el motor centralmente dentro de una gran cabina en forma de caja. [18] [19] Posteriormente, se aumentó la potencia de estos motores CE agrandando ligeramente la caldera y aumentando la presión de la caldera a 275 psi. Esto aumentó su potencia de los 80 bhp originales de las locomotoras BE a 100 bhp. [18] Todas estas locomotoras tenían una disposición de ruedas 0-4-0T , con ambos ejes impulsados por cadenas del mismo motor. Para dar mayor potencia, Sentinel patentó el concepto de usar múltiples motores de vapor idénticos, cada uno impulsando un eje. [20] Se trataba de locomotoras de dos motores de 200 CV. La caldera se amplió de nuevo y se le instalaron dos chimeneas, una para el tubo de escape de cada motor. [21]
La relación de transmisión de la transmisión final dependía del mercado y del trabajo esperado de la locomotora. Variaban entre una transmisión de 6:1 y una de 1:1. [22] El vagón de vapor original, que utilizaba un motor del mismo tamaño, podía transportar una carga de alrededor de 15 toneladas. La locomotora de ferrocarril podía alcanzar un esfuerzo de tracción de 123.000 lbf y transportar una carga para trabajos de maniobras lentas de 650 toneladas. Las cargas de maniobra típicas eran de alrededor de 350 toneladas a 5 mph en un patio de maniobras nivelado , el peso de un tren de mercancías típico. [22]
En 1925, la disposición vertical del motor se había aprovechado para mejorar la entrada de vapor y el acceso para el mantenimiento. El motor Super-Sentinel utilizaba dos árboles de levas: admisión y escape, colocados cerca del cigüeñal en el cárter y que operaban las válvulas de asiento a través de varillas de empuje largas. En el motor de vagón original, las cuatro válvulas estaban montadas en el extremo más alejado del cilindro del cigüeñal, lo que requería puertos largos y estrechos hacia el otro extremo del cilindro. Con las locomotoras, el motor vertical de fácil acceso permitió que un par de estas válvulas se movieran al extremo inferior del cilindro, lo que permitió un puerto corto y eficiente con menos "espacio muerto". [23] El cárter del motor, junto con la guía del tronco de la cruceta, estaba cerrado y provisto de lubricación por salpicadura de aceite. Se dejó un pequeño plenum expuesto entre la caja de empaquetadura del vástago del pistón del cilindro y otro sello de prensaestopas en el cárter. Esto permitió que cualquier vapor que se filtrara más allá de los sellos se ventilara a la atmósfera, en lugar de condensarse dentro del cárter. [21]
Siguiendo de cerca el desarrollo de sus locomotoras, Sentinel también produjo vagones de vapor. Estos eran convenientes para ferrocarriles de construcción ligera, ya que eran mucho más ligeros que los trenes convencionales arrastrados por locomotoras. Incluso comparado con los motores de vapor anteriores, como los ejemplos de caldera vertical GWR, el diseño de Sentinel de una caldera de tubos de agua ligera y un motor de vapor con engranajes más pequeño era aún más ligero. En esa época aparecieron los vagones de gasolina y los ferrobuses, aunque tenían una potencia limitada y, por lo tanto, un peso, un tamaño y una capacidad de transporte limitados. El principal mercado de Sentinel para sus vagones era la exportación, aunque la LNER también operaba varios de ellos. [24]
El principio del motor de vapor debe mucho al trabajo y la defensa de Abner Doble , quien se inspiró en su trabajo anterior sobre los automóviles a vapor . Más tarde trabajó para Henschel de Alemania, que construyó camiones, autobuses, vagones de ferrocarril e incluso locomotoras utilizando su principio de motor de vapor. [25] [26] [27]
Doble también diseñó para Sentinel , particularmente para el desarrollo de diseños avanzados de calderas. [27]
Reconstruida a partir de una locomotora tanque 4-6-0T de la clase 230 como 4-4-2T , con un motor de vapor V12 longitudinal que impulsaba los dos ejes motrices a través de un eje de transmisión. [1] Esto no siguió la práctica habitual de los motores de vapor, ya que todo el accionamiento de muchos cilindros todavía estaba unido en un solo eje, aunque todavía utilizaba el concepto de cilindros pequeños y engranajes reductores. La locomotora parece haber sido insatisfactoria, posiblemente porque el peso del motor ahora estaba sobre las ruedas de soporte delanteras, lo que reducía el peso adhesivo sobre los conductores a solo la mitad del total de la locomotora. [1]
Una locomotora de pasajeros exprés aerodinámica con distribución 4-6-4, que utiliza una caldera de alta presión . Cada uno de los tres ejes motrices tenía un par de motores de vapor de flujo único de doble efecto y tres cilindros , lo que daba un total de 18 cilindros. [28]
Una locomotora de alta presión 2-6-2 de 1927, diseñada por Buchli . Esta utilizaba un motor de tres cilindros para impulsar las ruedas a través de una caja de cambios de reducción 1:2,5, y luego bielas convencionales . Este motor tenía válvulas de asiento y admisión uniflow . [29]
La Lübeck-Büchener Eisenbahn encargó vagones a Henschel según los diseños de Abner Doble. [25] También se construyeron vagones similares para la Deutsche Reichsbahn . [25] [26] En 1936-1937, se construyó una locomotora 2-6-4T que utilizaba tres motores de vapor bicilíndricos en V. [30]
La locomotora de pasajeros expresa aerodinámica alemana V19.1001 de finales de la década de 1930. [1] Esta locomotora 2-8-2 o 1'Do1' ( UIC ) tenía cuatro motores de vapor bicilíndricos en V , uno en cada eje.
Se trataba de una locomotora 2-4-2 con bastidor exterior y dos motores de vapor Sentinel de 200 CV cada uno. Algo poco habitual en Sentinel era que utilizaba una caldera de locomotora convencional . [31]
En 1951, los Ferrocarriles Nacionales de Egipto adquirieron algunos de los últimos vagones de vapor Sentinel, construidos por Metropolitan-Cammell con bogies de motor Sentinel. Se trataba de diez vagones de tres vagones articulados sobre cuatro bogies Jakobs . Uno de ellos se conserva en Inglaterra en la actualidad, a cargo de la Quainton Railway Society en el Buckinghamshire Railway Centre , Inglaterra . [32]
Sentinel construyó varias locomotoras de ancho de vía 1 metro para Argentina, Colombia y también Bélgica.
El primero de ellos fue en 1931, para el Ferrocarril Buenos Aires Midland . El ferrocarril ya utilizaba vagones Sentinel similares al modelo LNER, pero requería una unidad múltiple más grande. Se construyeron dos como vagones de cuatro unidades: una locomotora basada en el chasis del vagón anterior y tres vagones de remolque. La locomotora BB utilizó dos bogies de cuatro ruedas, cada uno impulsado por un motor de seis cilindros basado en el vagón, para un total de 250 bhp. [33] La caldera era de presión relativamente alta, aunque típica de Sentinel, utilizando una caldera acuotubular Woolnough de 300 psi.
Una de las locomotoras Sentinel más conocidas fue la «Colombiana», basada en los diseños de Abner Doble. Se construyeron en un lote de cuatro, la primera de las cuales se vendió a Bélgica en 1934, seguida de tres para la Société National des Chemins de Fer en Colombe . [34] [27] Al menos una de las locomotoras colombianas fue probada en Bélgica, donde se tomaron la mayoría de las fotografías que sobreviven de ella. Algunos informes afirman que la locomotora belga también fue enviada posteriormente a Colombia.
Estas locomotoras han sido descritas como las locomotoras de vapor más sofisticadas jamás construidas, ciertamente las más avanzadas que Sentinel produjo. Utilizaban una caldera Woolnough de alta presión a 550 psi. El diseño del chasis era un Co-Co , con cada eje impulsado independientemente por un motor de vapor Doble compuesto de dos cilindros. [34] Este motor también se utilizó en otros diseños de vagones Sentinel para el Southern Railway . Una característica inusual para la confiabilidad era que si algún motor fallaba, podía desconectarse rápidamente y la locomotora continuaba su camino.
Los coches de vapor de Norteamérica alcanzaron su apogeo en popularidad antes de la década de 1880, y la mayoría de ellos fueron fabricados según diseños personalizados por pequeños fabricantes especializados antes de 1875. Casi todos los ejemplares eran únicos y fabricados a medida; unos pocos eran coches experimentales construidos y comercializados por pequeñas empresas o particulares a modo de prueba y, a menudo, no del todo exitosos debido a su singularidad o a sus costes relativos. El auge de la tracción eléctrica fue una de las causas de la desaparición definitiva de los coches de vapor estadounidenses. El desarrollo de los coches de motor mecánicos de gasolina de accionamiento directo en torno a 1905-15 creó nuevos mercados y, finalmente, los coches de motor de accionamiento gasoil-eléctrico y, después, diésel-hidráulico, como el muy popular Budd RDC [coche diésel ferroviario] de la década de 1950, acabaron con la necesidad de trenes de motor autónomos. A finales de la década de 1930 , Baltimore y Ohio consideraron (pero nunca construyeron) una flota de potentes locomotoras expresas 4-2-2-2-2-4 de 5000 CV, impulsadas por cuatro motores V4, uno por eje. [35]