Locomotiva a vapor composta

Uma locomotiva a vapor composta tem uma máquina a vapor com dupla utilização de expansão de vapor em cilindros separados , o que é conhecido como ação composta . Uma locomotiva a vapor composta , portanto, tem pelo menos dois cilindros; projetos mais avançados têm dois pares de cilindros.

Características operacionais

No primeiro cilindro, o cilindro de alta pressão com menor diâmetro, parte do gradiente de calor do vapor é convertido em trabalho por expansão e movimento do pistão . O vapor que sai após a expansão é alimentado em um recipiente intermediário (sensor ou receptor), que libera o vapor para o cilindro de baixa pressão. Se os ângulos de deslocamento da manivela entre as hastes da roda motriz dos cilindros de alta e baixa pressão forem 90 °, o transdutor deve ter uma capacidade razoavelmente grande para evitar contrapressão no pistão de alta pressão. Se, por outro lado, os movimentos dos pistões de alta e baixa pressão são iguais ou exatamente opostos, um simples tubo de vapor é suficiente em vez do recipiente intermediário. Economias substanciais são alcançadas utilizando a expansão do vapor em dois cilindros de vapor, um atrás do outro. O uso eficiente do efeito composto está ligado a uma alta pressão de vapor, aplicação em pressões de caldeira inferiores a 13 atm. A sobrepressão parece inadequada.

Para operação com vapor úmido de 12 a 16 atm. A pressão reduziu o consumo de vapor em 15 a 25% e o consumo de combustível na mesma proporção. Quando comparada a uma locomotiva com simples expansão a vapor, o aumento da lucratividade costuma ser ainda maior, pois a caldeira menos tensionada da locomotiva composta apresenta melhor grau de eficiência. Em locomotivas com vapor altamente superaquecido, entretanto, o ganho devido ao efeito composto é menos pronunciado, uma vez que as perdas por resfriamento no cilindro de vapor são menos perceptíveis com vapor superaquecido. O lucro do efeito composto é limitado a 10 a 15% em locomotivas a vapor superaquecidas.

Dispositivos especiais de inicialização permitem que o vapor ao vivo seja alimentado em todos os cilindros na pressão mais alta, a fim de obter a maior força de tração possível no início de uma viagem ou em baixas velocidades.

As principais desvantagens das locomotivas a vapor compostas são que a partida requer equipamento especial e seus pontos fracos significam que a força máxima de tração do cilindro é menor do que com locomotivas gêmeas comparáveis. A distribuição ideal do trabalho entre os dois cilindros só é possível sob certas condições de operação. No entanto, em operação, foi demonstrado que irregularidades ainda mais pronunciadas em locomotivas compostas de dois cilindros não apresentam quaisquer desvantagens significativas. As locomotivas compostas de quatro cilindros são ainda menos sensíveis a esse respeito.

Uma consequência indesejável do grande volume dos cilindros de baixa pressão é a maior resistência ao movimento em marcha lenta, o que tem um efeito particular nas locomotivas de movimento rápido. Métodos eficazes de redução do trabalho de bombeamento de ar, de outra forma considerável, devem ser usados ​​aqui.

Uma vez que os benefícios do efeito composto são limitados, locomotivas compostas de quatro cilindros bem-sucedidas são muito mais difíceis de projetar do que locomotivas com simples expansão de vapor. Este fato nem sempre foi levado em consideração para uma construção totalmente satisfatória.

História de desenvolvimento

Anatole Mallet realizou os primeiros testes em locomotivas a vapor com a tecnologia composta já introduzida em motores estacionários a vapor a partir de 1876 . Ele equipou uma locomotiva de dois cilindros para a ferrovia Biarritz-Bayonne com um cilindro de alta pressão e um cilindro de baixa pressão, em que a expansão do vapor ocorria uma após a outra. Em operação, esse veículo alcançou uma economia de combustível de 25% em relação às locomotivas com simples expansão de vapor.

Em 1880, a Prussian State Railways usou a classe T 0 pela primeira vez, uma locomotiva a vapor composta de dois cilindros projetada por August von Borries . Na Inglaterra, em 1879 , Francis William Webb construiu uma locomotiva composta de três cilindros na London and North Western Railway com dois cilindros de alta pressão e um cilindro de baixa pressão, cada um dos quais movia um eixo especial desacoplado, que, no entanto, não teve sucesso. Uma locomotiva composta de três cilindros e triplo acoplamento, a StEG II 581 , construída na Áustria em 1892 , também não foi um sucesso convincente.

Por volta de 1876, Alfred de Glehn na França investigou as possibilidades do efeito composto para uso em locomotivas a vapor. Isso resultou na primeira locomotiva composta de quatro cilindros Norte No. 701, desenvolvida em conjunto com Gaston du Bousquet em 1886, com dois cilindros de alta pressão para o conjunto de rodas motrizes traseiras e dois cilindros de baixa pressão para acionamento do conjunto de rodas motrizes dianteiras. As locomotivas do tipo 2'B-1 '- "Atlantic" com quatro cilindros, construídas em série para os franceses Chemins de fer du Nord a partir de 1890, provaram ser muito bem-sucedidas, e seu princípio de projeto foi adotado por muitas outras ferrovias empresas. A Prussian State Railways encomendou 79 máquinas deste tipo, que foram classificadas como a classe S 7 da Prússia .

No sul da Alemanha, a locomotiva a vapor composta foi introduzida em Baden por Courtin, na Baviera por Joseph Anton von Maffei , na Saxônia por Lindner, em Württemberg por Kittel. Na Prússia, após uma aquisição e uso inicialmente extensos de locomotivas compostas, o princípio dos compostos foi quase completamente abandonado, já que o vapor quente e o superaquecedor foram, entretanto, usados.

Em contrapartida, desenvolvimentos mais sofisticados e altos custos de combustível na França, sul da Alemanha, Áustria e Suíça levam a uma maior preferência pelo princípio composto, também com vapor superaquecido, a fim de alcançar o maior aumento possível na lucratividade da locomotiva. Em 1908, por exemplo, Karl Gölsdorf por manter o efeito composto. Isso é seguido por numerosas locomotivas compostas a vapor superaquecidas nas ferrovias estaduais austríacas. Algumas são locomotivas de montanha potentes com cinco e seis eixos acoplados. Na Rússia, Alexander Borodin e Albert Czeczott garantiram a aplicação do princípio composto.

Na Inglaterra, em 1898, Walter Mackersie Smith (1842–1906) converteu com sucesso uma máquina “Classe 3CC” na North Eastern Railway em uma locomotiva composta de três cilindros . Com base neste modelo, cinco máquinas 2'B n3v foram projetadas como Classe 1000 por Samuel W. Johnson na Midland Railway . Destes, Richard Deeley (1855-1944) construiu outros 45 de um tipo mais poderoso e, a partir de 1914, estes foram equipados com um superaquecedor para operação a vapor superaquecido. De 1924 em diante , um total de 195 máquinas compostas do tipo quase idêntico foram fornecidas por várias fábricas de locomotivas inglesas para a London, Midland e Scottish Railway .

O desenvolvimento de alto desempenho de locomotivas compostas foi alcançado na década de 1940 com os grandes tipos de macetes na América do Norte, bem como na Europa com as "reconstruções" de locomotivas individuais realizadas por André Chapelon . Na França, em 1943, André Chapelon converteu a antiga locomotiva 2'D1 'h3 241-101 da Compagnie des chemins de fer de l'État na 2'D2' h3v tipo SNCF 242 A 1 , que estava equipada com uma potência indexada de 3900 kW é considerada a locomotiva a vapor mais potente alguma vez construída na Europa.

Variantes significativas

Design De Glehn

No projeto de Glehn (1890), um par de pistões aciona o primeiro, o outro, o segundo eixo de acionamento , de modo que o trabalho é distribuído em dois eixos. A principal característica externa do projeto de De Glehn eram os cilindros de alta pressão para o segundo eixo motriz que eram fixados na parte externa do chassi e relativamente atrás. Os dois cilindros de baixa pressão para acionar o primeiro eixo motriz estavam localizados mais à frente no chassi. Acima de tudo, esta divisão deve permitir que os eixos se movam lateralmente uns em relação aos outros nas curvas. Com a primeira versão, o acoplamento mecânico dos conjuntos de rodas motrizes , até certo ponto dotados de “ acionamento por eixo único ”, foi dispensado do uso de hastes de acoplamento. No entanto, como a locomotiva tendia a derrapar, as seguintes construções receberam novamente as hastes de acoplamento usuais .

Uma característica operacional especial são os controles completamente separados para os cilindros de alta e baixa pressão, que podem ser ajustados individualmente pelo condutor da locomotiva com reversões especiais. Isso tem a vantagem de usar os recheios mais vantajosos em ambos os grupos de cilindros, que dependem do grau de tensão e da velocidade de acionamento. O dispositivo de partida associado ao projeto tem um cilindro de comutação operado a partir da cabine do motorista; além disso, o vapor ativo estrangulado pode ser deixado nas caixas de válvulas de baixa pressão por meio de tubulações finas. Isso resulta em quatro estados operacionais diferentes:

1. Efeito composto como regra para o estado estacionário;
2. Efeito quádruplo com vapor ao vivo em todos os quatro cilindros para start-up;
3. Ação dupla dos cilindros de alta pressão apenas;
4. Efeito duplo do cilindro de baixa pressão sozinho.

Os dois últimos circuitos foram considerados apenas em caso de avaria em um dos dois estágios de expansão. Um dispositivo de partida semelhante da Borsig usa torneiras de troca no lugar da válvula rotativa; o suprimento de vapor vivo para a válvula corrediça de baixa pressão é inevitavelmente aberto quando as torneiras são ajustadas para exaustão de alta pressão.

O projeto de várias outras locomotivas alemãs, francesas e outras locomotivas a vapor pode ser rastreado até de Glehn: por exemplo, as locomotivas Baden do tipo IV e , a Bavária CV , as locomotivas da Reichseisenbahnen na Alsácia-Lorena S 12 , S 5 e T 17 , as locomotivas prussianas dos gêneros P 7 , S 10 , S 5 e S 7 , as Saxon X V , as classes Württemberg D e F 1c , bem como as conversões GDR das antigas locomotivas francesas DR 07 1001 e DR 08 1001 . As locomotivas da Ferrovia Jura - Simplon A 3/5 também eram máquinas “de Glehn”.

Tipo Borries

As locomotivas De Glehn com cilindros controláveis ​​individualmente exigem que o maquinista esteja particularmente familiarizado com essas características especiais e exigem mais atenção à operação da máquina do que ao monitoramento da rota. Além disso, com este projeto operacional há um grande número de peças nos controles em uma estrutura já complexa de locomotivas de quatro cilindros. Essas foram as razões pelas quais o tipo de Glehn não foi usado consistentemente como o único tipo de locomotiva composta. Na locomotiva de quatro cilindros desenvolvida por August von Borries em 1897, por exemplo, os controles de ambos os grupos de cilindros foram combinados de tal forma que apenas duas hastes de controle externas estão disponíveis. Todos os quatro pistões atuam no virabrequim do primeiro eixo motriz, cujas manivelas interna e externa são direcionadas em direções opostas, de modo que os pistões trabalham em direções opostas, as forças de aceleração das massas do motor se equilibram amplamente e, portanto, não requerem mais contrapesos. Para tanto, von Borries aprimorou os dispositivos de partida e também criou a base teórica para um cálculo adequado das dimensões do cilindro e dos controles.

Na Alemanha, as locomotivas prussianas tipo S 5 e S 7 , que já estavam disponíveis como tipo “de Glehn”, também foram projetadas como tipo “von Borries”, no caso da S7 com 159 unidades, o dobro de os “de Glehns”. O Badische IV f e o Palatinado P 4 também eram do tipo "von Borries" com 35 e 11 unidades, respectivamente.

Tipos Mallet e Meyer

Nas locomotivas de bogie do tipo Mallet , o efeito composto é vantajosamente utilizado, de modo que um quadro suporta os cilindros de alta pressão e o outro os cilindros de baixa pressão. A estrutura móvel do bogie principal é acoplada à estrutura principal como uma barra de tração. Este último também carrega a caldeira, que fica apoiada na parte frontal do bogie para que ele possa se mover. A estrutura principal é acionada pelos cilindros de alta pressão, o bogie dianteiro pelos cilindros de baixa pressão. Uma vez que a caldeira está firmemente conectada à estrutura principal, não existem tubos de vapor móveis que são difíceis de vedar. O tubo de vapor relativamente longo entre os cilindros de alta e baixa pressão pode ser feito suficientemente flexível para o ângulo de deflexão não muito grande. O vapor de exaustão dos cilindros de baixa pressão é alimentado através de tubos móveis para o tubo do soprador na câmara de fumaça da caldeira. Os controles de ambos os racks são operados ao mesmo tempo.

Com o tipo Meyer , os dois bogies são móveis, de modo que a vantagem dos tubos de vapor fixos de alta pressão é eliminada.

Tipo Vauclain

Nesse tipo de construção, que é particularmente difundido nos EUA, um cilindro de alta pressão e um cilindro de baixa pressão foram combinados em uma peça fundida de cada lado da locomotiva. As duas hastes de pistão trabalharam em uma cruzeta comum . A vantagem deste projeto era a boa acessibilidade e que funcionava sem o uso de hastes de bócio. A principal desvantagem era o pobre equilíbrio de massa, já que as forças de aceleração dos pistões de alta e baixa pressão não podiam se equilibrar.

Locomotivas compostas em tandem

Com base nas bem-sucedidas máquinas a vapor de terra e navio desenvolvidas por Arthur Woolf, as tentativas com locomotivas compostas em tandem remontam ao ano de 1868. Os motores a vapor em tandem tinham cilindros de alta e baixa pressão dispostos um atrás do outro, que agiam em uma cruzeta comum ou em uma haste de pistão contínua. As primeiras locomotivas desse tipo funcionaram na Europa em rotas britânicas. Havia três máquinas experimentais de 1885 e 1886 com motores internos. Na França, algumas locomotivas-tanque 2`C funcionavam desde 1902 e a Hungria usava locomotivas tandem 2`B a partir de 1890. Com a aquisição de 93 Ie , elas continuaram sendo as locomotivas compostas em tandem de maior sucesso. A série П russa com 169 e a série Р russa com 477 unidades foram produzidas mais numericamente . Este tipo de construção também foi tentado nos EUA sem que se pudesse estabelecer. Com sua construção, um efeito composto pode ser alcançado sem a necessidade de usar um eixo de apoio . O principal motivo de sua falta de aceitação foi o conserto pesado dos veículos.

Locomotivas a vapor compostas de três cilindros

Enquanto a tentativa de Webb em uma locomotiva composta de três cilindros mencionada acima não teve sucesso, projetos posteriores com um cilindro de alta pressão localizado centralmente e dois cilindros de baixa pressão foram realizados várias vezes com grande sucesso, especialmente nas ferrovias inglesas. O pico de desenvolvimento resultou de uma conversão francesa 2'D2 'H3V -Schnellzuglok SNCF 242 A 1 com motor composto de três cilindros, que é uma capacidade de pico indexada de 5.300  PSI e 3.900  kW alcançada.

Os pontos de trabalho dos dois cilindros de baixa pressão do 242 A 1 foram deslocados um do outro em 90 ° durante uma revolução da roda motriz, o ponto de trabalho do cilindro central de alta pressão é especificado com um deslocamento de 135 ° no centro dos dois pontos de trabalho 90 ° opostos. Um recipiente intermediário estava disponível para receber e distribuir o vapor de baixa pressão de 14 bar do cilindro de alta pressão alimentado com 20 bar para os cilindros de baixa pressão.

Um controle de válvula individual tornou possível alimentar os três cilindros simultaneamente com vapor vivo de 14 bar com expansão de vapor simples. A uma velocidade de cerca de 25 km / h, o regulador de baixa pressão foi fechado e o regulador de alta pressão aberto, e a máquina então funcionou em operação regular do composto.

Esta configuração de acionamento não era muito popular entre as administrações ferroviárias alemãs. Apenas a Royal Württemberg State Railways manteve duas séries com motor composto de três cilindros, com suas classes E ( locomotivas de passageiros, produzidas pela Cockerill em Seraing na Bélgica) e G (locomotivas de carga da fábrica de máquinas de Esslingen, designer-chefe Emil Kessler), e apenas aquelas eram locomotivas de frete válidas com o apelido de "Elefantes de Württemberg" como um projeto de sucesso.

Em 1902, o Prussian T 6 com tração de dois eixos, projetado por Gustav Wittfeld , foi construído para o Berlin Stadtbahn , o cilindro interno atuou no primeiro eixo motriz, o cilindro externo no segundo. Ele não se provou, e apenas seu design externo merece elogios.

Duas máquinas de teste com um arranjo de roda de 2'B2 'pelos designers Wittfeld e Kuhn foram construídas pela empresa Henschel em 1904 e classificadas como Prussian S 9 Altona 561 e Altona 562 ; elas acabaram sendo um projeto defeituoso e foram descartadas 1918.

literatura

• Brückmann: Contribuição para a história da locomotiva composta. Organ 1890, pág. 294 e 1891, pág. 192; A locomotiva composta na América do Norte. Ztschr. Dt. Ing. 1894, p. 1213.
• Sanzin: A locomotiva composta na Inglaterra. Negociando des Gewerbefleißes 1896, página 91.
• Ludwig Troske : Conhecimento ferroviário geral. Parte II, página 222.
• Guillery-Stockert: Handbook of Railway Engineering . Volume I, página 251.
• Karl Gölsdorf : dispositivo inicial. Organ 1894.
• Kühl: Novos esforços na construção de locomotivas.
• Mallet: Étude sur les locomotives de montagne. Mémoires de la société des engenheiros civis. Agosto de 1912.
• Erich Metzeltin : As novas locomotivas compostas da Prússia. Ztschr. Dt. Ing. 1909, p. 641.
• Dawner: locomotivas a vapor superaquecidas compostas de quatro cilindros das Ferrovias Estaduais de Württemberg. Ztschr. Dt. Ing. 1909, p. 2069. [⇐88]
• SR Wood, David P. Morgan: O composto econômico . Em: trens . Kalmbach Publishing Co., setembro de 1951, ISSN  0041-0934 , p. 4448-Y . 

Links da web

Evidência individual

1. ↑ ^{a b c d} Roell: Enciclopédia do Sistema Ferroviário. Berlim, Viena 1912
2. ↑ Explicação da construção em espanhol sob "Tracción repartida" ( Memento de 10 de maio de 2008 no Arquivo da Internet )
3. ↑ The Locomotive 1906, no. 5, p. 78, fig. 8
4. ↑ The Locomotive 1904, nº 5, página 103.
5. ^ Locomotivas compostas francesas, 242 A1
6. ↑ Maedel, K.-E.: "As locomotivas a vapor alemãs ontem e hoje", 4ª edição, Berlim 1966, p. 184.
7. ↑ Maedel, K.-E.: "As locomotivas a vapor alemãs ontem e hoje", 4ª edição, Berlim 1966, p. 148.