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 se diferencian principalmente en el medio por el cual se transmite la potencia mecánica a las ruedas motrices (conductoras). Un tren de turbina de gas normalmente consta de dos vagones motores (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 pocas piezas móviles, lo que disminuye la necesidad de lubricación y potencialmente reduce los costos de mantenimiento, y la relación potencia-peso es mucho mayor. Una turbina de una determinada potencia 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 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 larga distancia y alta velocidad. Otros problemas de las locomotoras eléctricas de turbina de gas incluyen el hecho de que son muy ruidosas [1] [2] y producen gases de escape tan calientes que, si la locomotora estuviera estacionada bajo un paso elevado pavimentado con asfalto, podría derretir el asfalto. [3]
Una locomotora de turbina de gas fue patentada en 1861 por Marc Antoine Francois Mennons (patente británica nº 1633). [4] Los dibujos de la patente de Mennons muestran una locomotora con disposición de ruedas 0-4-2 con una carcasa cilíndrica que se asemeja a una caldera. En la parte delantera de la carcasa está el compresor, al que Mennons llama ventilador. Esto suministra aire a una cámara de combustión y los gases calientes de la cámara de combustión impulsan una turbina en la parte posterior de la carcasa. Luego, 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 un engranaje adicional para un eje intermedio que impulsa las ruedas a través de varillas laterales. El combustible es sólido (presumiblemente carbón, coque o madera) y en la parte trasera hay un depósito de combustible. No hay pruebas de que la locomotora se construyera realmente, 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 a la aparición 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 el declive de las locomotoras de turbina de gas convencionales y el uso de un motor de pistón como generador de gas probablemente proporcionaría una mejor economía de combustible que un compresor de turbina, especialmente cuando funcionaba a menos de la carga máxima.
Una opción es una máquina de dos ejes , con turbinas separadas para accionar el compresor y el eje de salida. Otra es utilizar un generador de gas independiente , que puede ser de tipo rotativo o de pistón.
Las locomotoras mecánicas de turbina de gas utilizan una transmisión mecánica para entregar la potencia de las turbinas de gas a las ruedas. Debido a la diferencia de velocidades, esto es un desafío técnico, por lo que la transmisión mecánica no apareció hasta diez años después de las primeras transmisiones eléctricas.
La primera locomotora mecánica de turbina de gas del mundo, la Serie 040-GA-1 de 1.000 CV, fue construida por Renault en 1952 y tenía como generador de gas un motor Pescara de pistones libres . Le siguieron dos locomotoras más, la Clase 060-GA-1 de 2.400 CV en 1959-1961. [5]
El generador de gas Pescara en 040-GA-1 constaba de un motor diésel horizontal, monocilíndrico, de dos tiempos y pistones opuestos . No tenía cigüeñal y los pistones regresaban después de cada carrera de potencia mediante 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 .
Kharkov Locomotive Works construyó varias locomotoras similares en la URSS . [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 engranajes reductores, eje del gato y varillas laterales.
En la antigua Checoslovaquia se consideró la energía de turbinas para la tracción ferroviaria . Se construyeron dos prototipos propulsados por turbinas, denominados TL 659.001 y TL 659.002, con disposición de ruedas CC, turbina principal de 3200 hp (2,4 MW), turbina auxiliar y 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 fue abortado porque no estuvo listo a tiempo. Las primeras pruebas fuera de fábrica se realizaron en marzo de 1959 en la línea Pilsen – Cheb – Sokolov . El 15 de mayo de 1959, el primer prototipo arrastró su tren más pesado, 6.486 toneladas, pero la turbina se incendió sólo un día después. El motor nunca se restauró y finalmente se desguazó.
El segundo prototipo (TL 659.002) se construyó con las lecciones aprendidas del primero. Salió de 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 FFCC estatales checoslovacos . Se intentó cerca de Kolín y Pilsen con resultados mixtos. Este motor fue retirado de servicio en abril de 1966 y vendido a la Universidad de Žilina como instrumento educativo. Fue desechado algún tiempo después.
Aunque los resultados de los experimentos fueron dispares, se trataba de las locomotoras con propulsión puramente mecánica más potentes del mundo y también de las locomotoras de tracción independiente más potentes de Checoslovaquia.
El British Rail GT3 era una máquina sencilla que consistía esencialmente en una turbina de gas estándar alimentada con petróleo montada sobre un chasis de locomotora de vapor estándar, construida como demostrador por English Electric en 1961. Su simplicidad casi tosca le permitió evitar gran parte de la falta de fiabilidad que había tenido. plagado de los complejos GTEL experimentales 18000 y 18100 en años anteriores, pero no logró ser competitivo frente a la tracción convencional y fue desechado.
Ejemplos de locomotoras mecánicas de turbina de gas:
Una locomotora eléctrica de turbina de gas (GTEL) es una locomotora que utiliza una turbina de gas para accionar un generador o alternador eléctrico , produciendo una corriente eléctrica que se utiliza para alimentar motores de tracción . Este tipo de locomotora se experimentó por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial , pero alcanzó su punto máximo entre los años 1950 y 1960. Pocas locomotoras utilizan hoy este sistema.
Un GTEL utiliza una transmisión turboeléctrica en la que un motor 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 mueven la locomotora. En términos generales, el sistema es muy similar a un diésel-eléctrico convencional , con el gran motor diésel sustituido por una turbina de gas más pequeña y de potencia similar .
Union Pacific operaba la flota más grande de locomotoras de este tipo de todos los ferrocarriles del mundo y era el único ferrocarril que las utilizaba para transportar mercancías. La mayoría de los demás GTEL se han construido para pequeños trenes de pasajeros, y sólo unos pocos han tenido un éxito real en esa función. Con el aumento de los costes del combustible (que finalmente condujo a la crisis del petróleo de 1973 ), el funcionamiento de las locomotoras de turbina de gas se volvió antieconómico y muchas quedaron fuera de servicio. Las locomotoras de Union Pacific también requirieron más mantenimiento de lo previsto originalmente, debido a la contaminación de las palas de la turbina por el aceite Bunker C utilizado como combustible.
En 1939, los Ferrocarriles Federales Suizos encargaron a Brown Boveri un 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 de turbina de gas del mundo. Estaba destinado principalmente a hacer funcionar trenes de pasajeros ligeros y rápidos en rutas que normalmente manejan 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 se completaron para los ferrocarriles británicos recién nacionalizados .
British Rail 18000 fue construido por Brown Boveri y entregado en 1949. Era un GTEL de 1840 kW (2470 hp), encargado por GWR y utilizado para servicios expresos de pasajeros.
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). [7]
Una tercera locomotora, la GT3 , se construyó en 1961. Aunque fue construida por English Electric , que había sido pionera en la transmisión eléctrica con locomotoras LMS 10000 , utilizaba una transmisión mecánica de turbina. [8]
El British Rail APT-E , el prototipo del tren de pasajeros avanzado , funcionaba con turbinas. Al igual que el TGV francés , los modelos posteriores utilizaron un sistema de propulsión eléctrico alternativo. Esta elección se tomó porque British Leyland , el proveedor de turbinas, dejó de producir el modelo utilizado en el APT-E, al haber perdido interés en la tecnología de turbinas de gas tras la crisis del petróleo de los años 1970 . [9]
ALCO-GE construyó un prototipo de locomotora eléctrica de turbina de gas alimentada con petróleo en 1948, con una disposición de ruedas BBBB . Después de varias pruebas, fue adquirido por Union Pacific , que buscaba una alternativa más potente al diésel para trenes transcontinentales. [10]
UP dirigió una flota de 55 locomotoras de carga propulsadas por turbinas a partir de principios de la década de 1950, todas producidas por Alco-GE. Las versiones de primera y segunda generación compartían la misma disposición de ruedas que el prototipo; La versión de tercera generación eran tipos CC . Todos se utilizaban ampliamente en rutas de larga distancia y eran rentables a pesar de su escasa economía de combustible, debido al uso de combustibles "sobrantes" de la industria petrolera. En su apogeo, el ferrocarril estimó que impulsaba alrededor del 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 del petróleo más pesados, en particular para los plásticos, el costo del combustible Bunker C aumentó hasta que las unidades se volvieron demasiado caras de operar y fueron retiradas del servicio en 1969.
En abril de 1950, Baldwin y Westinghouse completaron una locomotora de turbina experimental de 4000 hp (3000 kW), 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 escape de la turbina derecha y estaba orientada a 100 millas por hora (160 km/h). Si bien se demostró con éxito tanto en el servicio de carga como de pasajeros en PRR , MKT y CNW , no hubo órdenes de producción y fue desechado en 1953. [11]
En la década de 1960, United Aircraft construyó el tren de pasajeros Turbo , que fue probado por el Ferrocarril de Pensilvania y posteriormente utilizado por Amtrak y Via Rail . La Via permaneció en servicio hasta la década de 1980 y tuvo un excelente historial de mantenimiento durante este período, pero finalmente fue reemplazada por el LRC en 1982. Amtrak compró dos tipos diferentes de trenes propulsados por turbinas , ambos llamados Turboliners . Los trenes 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 Turboliner del primer tipo permanece en servicio. Amtrak también agregó varios Rohr Turboliners (o RTL) con nombres similares a su lista. Había 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 están almacenados en North Brunswick, Nueva Jersey y New Haven, Connecticut . [12]
En 1966, Long Island Rail Road probó un vagón experimental con turbina de gas (numerado GT-1 ), propulsado por dos motores de turbina Garrett . Este automóvil se basó en un diseño de Budd Pioneer III , con transmisiones similares a las RDC de Budd de la década de 1950 . Posteriormente, el automóvil se modificó (como GT-2 ) para agregar también la capacidad de funcionar con un tercer carril eléctrico. [13] [14]
En 1977, el LIRR probó ocho vagones más de modo dual eléctrico/turbina de gas, en un experimento patrocinado por el USDOT . Cuatro de estos autos tenían sistemas de propulsión diseñados por GE , mientras que los otros cuatro tenían sistemas de propulsión diseñados por Garrett (se habían pedido cuatro autos más con sistemas de propulsión GM / Allison , pero fueron cancelados). Estos coches eran similares en apariencia a los coches M1 EMU de LIRR , con la adición de escalones para cargar desde plataformas de bajo nivel. Los coches sufrieron problemas mecánicos y de bajo consumo de combustible, por lo que fueron retirados del servicio al poco tiempo. Los cuatro coches con motor GE se convirtieron en EMU M1 y los coches Garrett fueron desguazados. [15]
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 producía el Acela , desarrolló un prototipo ( JetTrain ) que combinaba una turbina de gas Pratt & Whitney Canada PW100 y un motor diésel con una única caja de cambios que alimentaba cuatro motores de tracción idénticos a los del Acela. El diésel proporcionó potencia de cabecera y tracción a baja velocidad, y la turbina no se puso 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 FRA en Pueblo, CO, a partir del verano de 2001. Se alcanzó una velocidad máxima de 156 millas por hora (251 km/h). Luego se llevó el prototipo a un recorrido por sitios potenciales para el servicio de alta velocidad, pero aún no se ha iniciado ningún servicio.
En la Unión Soviética se probaron dos tipos de locomotoras eléctricas de turbina de gas. El programa de pruebas comenzó en 1959 y duró hasta principios de los años 1970. El GTEL de carga G1-01, producido por Kolomna Locomotive Works , estaba destinado a constar de dos locomotoras con disposición de ruedas CC, pero solo se construyó una sección. La locomotora de pasajeros GP1 tenía un diseño similar con la carrocería de la locomotora diésel TEP60 , también con 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 viajeros. Ambos tipos tenían una potencia máxima de 2.600 kW (3.500 CV). [dieciséis]
Otra locomotora de carga hidráulica de turbina de gas soviética tipo GT101 fue desarrollada y producida en 1960 por Luhansk Locomotive Works . Al igual que la locomotora G1, estaba prevista que constara de dos tramos de ruedas CC, pero solo se construyó un tramo. Esta sección estaba equipada con cuatro generadores de gas de pistón libre y una turbina de gas con una potencia máxima de 2.200 kW (3.000 CV), y una transmisión hidráulica. A diferencia de otras locomotoras, no estaba en servicio regular. [17]
En 2006, los Ferrocarriles Rusos presentaron el conmutador GTEL GEM-10. La turbina funciona con gas natural licuado (GNL) y tiene una potencia máxima de 1.000 kW (1.300 CV). El GEM-10 tiene una disposición de ruedas CC. El TGEM10-0001, que utiliza la misma turbina y combustible que el GEM-10, es un GTEL conmutador 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 cuenta con motor primario , por lo que sus motores de tracción son accionados por el tramo principal. La turbina de esta locomotora también tiene una potencia máxima de 1.000 kW (1.300 CV). [18]
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El GTEL de carga GT1-001, rehecho a partir de una locomotora eléctrica VL15 en 2006 e introducido en 2007, funciona con GNL y tiene una potencia máxima de 8.300 kW (11.100 hp). [19] Un tramo lleva el tanque de GNL y el otro alberga la turbina con generación de energía eléctrica, y ambos tramos albergan los motores de tracción y las cabinas. La locomotora tiene una disposición de ruedas BB-B+BBB y se pueden acoplar hasta tres locomotoras GT1. [20] El 23 de enero de 2009, el GT1-001 realizó una prueba 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. [21] En una prueba de funcionamiento realizada en septiembre de 2011, la locomotora remolcó 170 vagones de carga que pesaban 16.000 toneladas (15.700 toneladas largas; 17.600 toneladas cortas). [22] En 2012, el motor diésel auxiliar que se utilizaba para las operaciones de maniobras fue reemplazado por un acumulador y la locomotora pasó a llamarse GT1h (donde 'h' significa híbrido ). El GT1h-001 siguió siendo un prototipo y nunca entró en producción. [23]
El sucesor del GT1h-001 es el GT1h-002. A pesar de la misma denominación 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 depósito de GNL abierto. Derivado de la carrocería de la locomotora eléctrica 2ES6. Este modelo de serie tiene una potencia máxima de 8.500 kW (11.400 CV). [23] Ambas locomotoras GT1h están en funcionamiento en Egorshino, en la región de los Urales . [dieciséis]
Canadian National Railways (CN) fue uno de los operadores del Turbo , que pasó a Via Rail . Operaron en la ruta principal Toronto-Montreal entre 1968 y 1982, cuando fueron reemplazados por el LRC .
En 2002, Bombardier Transportation anunció el lanzamiento del JetTrain , un tren de alta velocidad compuesto por vagones basculantes y una locomotora propulsada por un motor turboeje Pratt & Whitney . Se hicieron propuestas para utilizar los trenes en la ciudad de Quebec-Windsor, Orlando-Miami y en Alberta, Texas, Nevada y el Reino Unido. Se construyó y probó un prototipo, pero aún no se ha vendido ningún JetTrain para su servicio. Sin embargo, ninguna de estas propuestas resultó en nada, y el JetTrain esencialmente desapareció, siendo reemplazado por la línea Bombardier Zefiro de trenes de alta y muy alta velocidad con propulsión convencional. JetTrain ya no aparece en ninguno de los sitios web o materiales promocionales actuales de Bombardier, aunque todavía se puede encontrar en sitios web más antiguos que llevan los logotipos de Canadair.
El primer prototipo de TGV , el TGV 001 , estaba propulsado por una turbina de gas, pero los elevados precios del petróleo provocaron el cambio a líneas eléctricas aéreas para el suministro de energía. Sin embargo, a principios de la década de 1970 se construyeron dos grandes clases de vagones interurbanos propulsados por turbinas de gas ( ETG y RTG ) y se utilizaron ampliamente hasta aproximadamente el año 2000.
SNCF (Ferrocarriles Nacionales Franceses) utilizó varios trenes con turbinas de gas, llamados Turbotrain , en territorio no electrificado . Por lo general, consistían en un automóvil motorizado en cada extremo con tres automóviles entre ellos. Turbotrain estuvo en uso hasta 2005. Después de su retiro, se vendieron cuatro juegos para su uso posterior en Irán.
En las décadas de 1940 y 1950 se llevaron a cabo investigaciones, tanto en 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 las palas de la turbina por partículas de ceniza. Se sabe que se produjo solo un ejemplo funcional y se canceló como falla después de las pruebas. Las fuentes de la siguiente información son Robertson [24] y Sampson. [6]
En 1946, una asociación entre Northrop y Hendy lanzó un intento de adaptar el motor de avión Northrop Turbodyne para uso como locomotora, utilizando polvo de carbón en lugar de queroseno como combustible. En diciembre de 1946, Union Pacific donó al proyecto su locomotora aerodinámica M-10002 retirada. Sin embargo, el proyecto fue abandonado a finales de 1947 y no hay evidencia clara de que la locomotora proporcionada para el experimento alguna vez se haya movido con energía de turbina de gas o incluso haya sido instalada. [25] Los detalles de la investigación se transmitieron al London, Midland and Scottish Railway de Gran Bretaña . Tras un aumento en los precios del combustible que hacía que sus GTELS alimentados con petróleo fueran antieconómicos, UP revivió experimentalmente la idea de la turbina de gas alimentada con carbón a principios de la década de 1960, produciendo un prototipo de GTEL de carbón en octubre de 1962. Los problemas de contaminación y erosión de las palas fueron graves. El proyecto fue declarado fracaso después de 20 meses, tiempo durante el cual la locomotora recorrió menos de 10.000 millas.
El 23 de diciembre de 1952, el Ministerio de Combustible y Energía del Reino Unido hizo un pedido para una locomotora de turbina de gas alimentada con carbón para su uso en los ferrocarriles británicos . La locomotora iba a ser construida por North British Locomotive Company y la turbina sería suministrada por CA Parsons and Company .
Según Sampson, el plan era utilizar calefacción indirecta. 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 una masa separada de aire comprimido que alimentaría 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 con la erosión de las palas de las turbinas por las cenizas. Esto es extraño porque, con un intercambiador de calor de carcasa y tubos convencional , no habría riesgo de que entren cenizas en el circuito de la turbina.
Ciclo de trabajo
Había dos circuitos separados, pero unidos: el circuito de combustión y el circuito de turbina.
Especificación
La locomotora nunca se construyó pero las especificaciones eran las siguientes:
La producción proyectada fue:
La transmisión iba a ser mecánica, a través de una caja de cambios de dos velocidades, dando una velocidad alta para el trabajo de pasajeros y una velocidad más baja para el transporte de mercancías. Los valores de esfuerzo de tracción citados anteriormente parecen sospechosamente altos para las velocidades indicadas. Parece más probable que las cifras citadas sean para el esfuerzo de tracción inicial y la velocidad máxima en marcha alta y 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 .