Locomotivă compusă

Vedere din față a blocului motor compus al unei locomotive bavareze S 3/6

O locomotivă compusă este o locomotivă cu abur de orice tip și formă, care este echipată cu un motor cu aburi pentru a dubla sau multipla expansiune, respectivul motor compus ^[1] .

Considerent general

Diagrama animată a motorului cu triplă expansiune

Un motor compus se caracterizează în esență prin faptul că aburul este făcut mai întâi să se extindă într-unul sau doi cilindri numiți presiune înaltă (AP) , apoi, după pierderea căldurii și a presiunii , în loc să fie trimis la evacuare, este folosit în continuare într-unul sau mai mulți cilindri de dimensiuni mari numite presiune scăzută (BP) extinzând astfel aria ciclului util . Pentru a evita dezechilibrul forței motrice între cele două părți (presiune scăzută și înaltă) a motorului, este necesar un calcul foarte precis al dimensiunilor cilindrilor sau parțializarea aburului introdus. Cea mai utilizată tehnică este aceea de a crește diametrul cilindrului la presiune scăzută pentru a compensa scăderea presiunii aburului cu suprafața mai mare. O soluție alternativă, sau utilizată împreună cu cea anterioară, este de a oferi cursuri de piston diferite pentru cilindrii de presiune mică și înaltă; în acest caz, presiunea mai mică furnizată este compensată de munca mai mare produsă într-un cilindru mai lung. O limitare a conceptului este determinată de faptul că, din motive de formă limită, nu este posibil să se mărească diametrul cilindrului la presiune scăzută dincolo de anumite limite.

În majoritatea cazurilor, termenul de compus , în cazul locomotivelor cu abur, indică locomotive cu dublă expansiune, dar, deși rare, au existat cazuri de utilizare a expansiunii triplă (și chiar a cvadruplului) cu expansiune mare , medie și mică ; totuși, complicația mecanică și criticitatea operațiunii nu au recomandat dezvoltarea acesteia pe locomotive, în timp ce motoarele maritime cu aburi erau adesea implementate pentru navele construite între sfârșitul secolului al XIX-lea și primii ani ai secolului XX ^[2] .

În aplicațiile mobile (locomotive), beneficiul major al dublei expansiuni a constat în economia de combustibil și apă și într-un raport mai favorabil greutate / putere, ca urmare a utilizării mai bune a caracteristicilor ciclului în temperatură și presiune . Cu toate acestea, performanța bună a fost contracarată de necesitatea unei întrețineri constante și a utilizării de personal expert, având în vedere tehnica mai complexă de conducere a locomotivei. Succesul proiectului unei locomotive compuse a necesitat, de fapt, o cunoaștere solidă a termodinamicii și a implicațiilor practice ale alegerilor tehnice constructive și nu a fost rareori eșecul sau eșecul proiectelor care bunul pe hârtie s-a dovedit a fi purtătorul multora probleme în exercițiile practice (mai ales în primele zile). Acest fapt a stat la baza abandonării de către anumite sectoare de proiectare a tehnicii compuse; problemele destul de grave au fost, de fapt, cele ale scăderii excesive a temperaturii în timpul ciclului de lucru și condensarea aburului în timpul celei mai lungi treceri.

Aproape la amurgul epocii aburului, problemele au fost abordate, printre altele, de André Chapelon și Livio Dante Porta . Începând din 1929 Chapelon a reușit să obțină îmbunătățiri de putere și consum cu un studiu atent al traseelor ​​de abur și cu supradimensionarea supraîncălzitorului pentru a crește temperatura inițială a aburului pentru a reduce efectul răcirii progresive. Mai târziu, pentru a menține o temperatură mai constantă pe tot parcursul ciclului, Chapelon a aplicat reîncălzirea aburului pe măsură ce acesta a trecut între cilindrii de înaltă presiune și cei de joasă presiune, aplicând o manta pe cilindri. Locomotiva de testare a fost o mașină de marfă clasa 160 A1 care a fost testată între 1948 și 1951 . Tot în Argentina, în aceeași perioadă, s-au efectuat o serie de teste pe locomotiva Argentina , un prototip 2-4-0 pregătit de Porta prin reconstrucția unei vechi locomotive ^[3] .

Locomotive cu dublă expansiune (sau compuse)

Dubla expansiune a fost adoptată mai târziu decât expansiunea simplă, în principal datorită greutății mai mari a mecanismului motor și a complicației sale mai mari ^[2] . Configurațiile adoptate pentru motorul compus al locomotivelor sunt diferite, dar mai ales pot fi urmărite înapoi la două tipuri de bază: Unul în care pistoanele de presiune înaltă și joasă presiune sunt conectate direct, astfel încât aburul care a funcționat deja în cilindrul AP trece direct pentru a acționa pistonul la presiune scăzută. Un altul în care aburul este trecut printr-un tampon înainte de a ajunge la cilindrul de joasă presiune.

Cea mai gravă și împovărătoare problemă pentru sistemele compuse a fost întotdeauna aceea de a începe cu cilindrul (sau cilindrii, în cazul motoarelor cu 4 cilindri) AP în punctul mort și acest lucru a condus la diferite metode pentru a trimite aburul corespunzător parțializat. Acest lucru a condus la studiul sistemelor de tăiere brevetate și a dispozitivelor de pornire particulare.

Locomotive cu doi, trei și patru cilindri

Mașinile cu două cilindri sunt cele mai simple: cilindrul mic, de înaltă presiune, este pe o parte, iar cilindrul mare, cu presiune scăzută, este pe de altă parte. Configurația generală a mașinii este similară cu cea a mașinilor de expansiune simple, cu diferența substanțială a disimetriei blocului motor, deoarece partea de joasă presiune este mai mare și mai grea. Configurația prezintă problema pornirii atunci când, în funcție de poziția roților la oprire, începutul fazei utile de introducere a aburului are loc din partea BP. Acest lucru necesită dispozitive speciale de reducere a presiunii pentru a permite utilizarea inițială a cilindrului de joasă presiune. Pentru ca locomotiva să fie echilibrată, cele două mecanisme de la AP și BP trebuie să efectueze același lucru și acest lucru necesită un calcul precis al volumului cilindrului mare, care trebuie să fie cu 2 ¼ la 2 ⅛ mai mare decât volumul cilindrului mic. Un alt accesoriu (care își mărește masa) este așa-numitul receptor , un rezervor tubular destinat să primească aburul de evacuare de înaltă presiune și să alimenteze cilindrul de joasă presiune. Pentru a evita pierderile datorate condensului de abur, acest dispozitiv este adesea plasat în camera de fum a locomotivei ^[4] .

Limitele de dimensiune ale unei locomotive feroviare împiedică construirea unor cilindri foarte mari de joasă presiune (acest lucru ar duce și la pistoane supradimensionate, tije, biele): acest lucru a condus la decizia de a construi motoare cu trei sau patru cilindri în cazul -locomotive cu motor. Dintre cele două opțiuni, configurația preferată a fost configurația cu 4 cilindri dispusă în majoritatea cazurilor în perechi, una mică și una mare pentru fiecare parte cuplată în tandem (cu o tijă comună) sau una pe cealaltă cu cele două tije care controlează la fel.crucea capului ; ambele configurații permit utilizarea a doar două tije de antrenare ca la locomotivele clasice . Un alt aranjament este cel cu doi cilindri în interior și doi în afara vagonului locomotivei care controlează aceeași axă; acesta trebuie să fie echipat cu două coate interne și două manivele externe pentru a primi mișcarea celor patru biele. Perechile de manivele vor fi conectate la 90 ° una de cealaltă (și respectiv opuse în perechi). Compușii cu 4 cilindri nu au în general probleme de pornire și nu necesită dispozitive speciale spre deosebire de cele cu doar 2 cilindri ^[5] .

Locomotive compuse asimetrice cu patru cilindri

Nu toate locomotivele compuse cu 4 cilindri au adoptat configurația simetrică a motorului; în Italia, de exemplu, anii 470 , 670 și 680 , pentru a numi cei mai cunoscuți, au fost construiți cu cilindri de înaltă presiune pe o parte și cilindri de joasă presiune pe cealaltă, având două în interiorul cadrului și două externe în acest scop pentru a obține o simplitate mai mare de distribuție (doar doi distribuitori) și a mecanismelor relative și deci o masă totală mai mică. Pe de altă parte, acest aranjament produce un dezechilibru al maselor (cea mai mare masă este pe latură o TA) și tensiuni diferite pentru fiecare parte ^[6] . Această configurație propune, de asemenea, problema locomotivelor compuse cu 2 cilindri în ceea ce privește pornirea. Mai echilibrat este cazul compușilor cu trei cilindri în care singurul cilindru, care poate fi la presiune scăzută sau înaltă, este activat de o altă axă decât cea referitoare la cei doi cilindri ^[7] .

Principalele probleme ale dublei expansiuni

Principalul avantaj al expansiunii duble constă în eficiența termică generală mai bună a locomotivei. De fapt, diferența termică a aburului este exploatată mai mult, care atunci când iese la evacuare a asigurat deja lucrări suplimentare în cilindrii de joasă presiune. Cu toate acestea, trecerea intermediară a receptorului este critică, în care, în special în sezonul rece, apare adesea o scădere excesivă a temperaturii și a presiunii. Așa-numitul efect de laminare cu abur în pasajul cilindrului AP-colector-BP este, de asemenea, adesea critic. Construcția mecanismelor de întreținere mai complexe și mai costisitoare este, de asemenea, o problemă. În cele din urmă, sarcina dificilă de a distribui în mod egal munca motorie a blocului de înaltă presiune în comparație cu cea de joasă presiune în toate situațiile trebuie luată în considerare în mod corespunzător ^[8] . Adoptarea pe scară largă a supraîncălzirii a produs treptat abandonarea dublei expansiuni în favoarea expansiunii simple și mai ieftine.

Configurații principale

Locomotiva mică evidențiază compusul cu cilindri care se suprapun, Vauclain, care acționează același cap de cruce

2 cilindri compuși

• 2 cilindri alternativ presiune înaltă și joasă - "expansiune continuă" (Samuel / Nicholson) ^[9]
• 1 AP, 1 BP ( Anatole Mallet ; Vauclain; August Von Borries; Lindner; Karl Gölsdorf; Herdner)

Compus cu 3 cilindri

• 2 AP, 1 BP (Francis William Webb)
• 1 AP, 2 BP (Sauvage; Adolf Klose; Weyermann; Walter Mackersie Smith; Samuel W. Johnson; Richard Deeley; André Chapelon , Livio Dante Porta )

3 cilindri de expansiune triplă

• 1 AP, 1 MP, 1 BO (Livio Dante Porta)

Compus cu 3 cilindri cu expansiune triplă

• 1 AP, 1 MP, 2 BP (LF Loree)

4 cilindri compuși

• 2 AP, 2 BP (De Glehn; Barbier; Von Borries; Golsdorf; Vauclain, Mallet); pentru locomotive articulate

6 cilindri compuși

• 2 AP, 4 BP (Chapelon)

Istorie

Experimente cu dublă expansiune au fost efectuate încă de la începutul secolului al XIX-lea de Arthur Woolf în dispozitivul său cu motor cu dublă expansiune în 1805 . În 1850 James Samuel , inginerul Eastern Counties Railway a brevetat o locomotivă cu expansiune continuă (un tip de locomotivă cu aburi compuse), deși ideea fusese deja exprimată de John Nicholson . Cei doi cilindri au alternat în funcționare la presiune înaltă sau joasă prin intermediul dispozitivelor adecvate; Sistemul a fost aplicat locomotivelor, unul pentru pasageri și unul pentru transportul de marfă, modificându-le, dar a rămas fără urmărire ^[10] Cu toate acestea, există multe îndoieli cu privire la sistem dacă acesta trebuie considerat sau nu un sistem compus. Primul exemplu cunoscut de locomotivă cu dublă expansiune (compus) datează din 1867 și se referă la locomotiva de tip american nr.122 a căii ferate Erie modificată de JF Lay cu aplicarea motorului cu dublă expansiune care a făcut obiectul brevetului nr. 70341 . ^[11] .

Locomotivele compuse ale lui Mallet

Locomotivă compusă din ciocane pentru calea ferată Bayonne-Anglet-Biarritz

În afară de acest caz izolat, prima utilizare comercială a dublei expansiuni aplicată locomotivelor se datorează Anatole Mallet care, în 1876, a produs o serie de locotendente mici, cu tren de rulare compus cu 2 cilindri 0-2-1, pentru calea ferată Bayonne-Anglet Biarritz care a avut un rezultat bun. Mallet a studiat ulterior o aplicație de dublă expansiune la locomotivele articulate prin împărțirea grupurilor de motoare de înaltă și joasă presiune pe două aranjamente de roți; rezervorul rigid din spate transporta cilindrii AP, iar cel articulat din față monta blocul de cilindri BP. Au fost încercate alte configurații, dar cea menționată a avut difuzie la nivel mondial. Prima aplicație a fost pe o serie de locomotive cu ecartament de 600 mm de la Decauville pregătite pentru expoziția universală de la Paris din 1889 . Desigur, aranjamentul implica și țevi articulate de abur care erau destul de lungi și susceptibile la scurgeri; din acest motiv, cilindrii de joasă presiune au constituit grupul de motoare din față. Lungimea mare a conductelor de abur a provocat, de asemenea, în special în sezonul rece, o scădere a temperaturii și formarea condensului; Aceasta a fost o mare limită de sistem care uneori a anulat creșterea productivității complexului complex de motoare și a fost unul dintre principalele motive pentru care ulterior s-au răspândit mai mult în expansiunea simplă a Mallet-ului american decât acei compuși. Configurația cu un singur vagon, dar cu motoare divizate, care fusese studiată, dar nerealizată, de Anatole Mallet, a fost construită de Francis Webb în Marea Britanie în 1882 cu o locomotivă compusă din 3 cilindri, cu doi cilindri mici de înaltă presiune externi care fuzionează într-un singur cilindru intern de joasă presiune.

Dubla expansiune s-a răspândit între începutul celor optzeci de ani și sfârșitul anilor nouăzeci ai secolului al XIX-lea . În Franța , Germania , Austria , Ungaria , SUA și Italia (în special în rețeaua mediteraneană ) un număr mare de locomotive au fost construite în principal cu 2 sau 4 cilindri până la începutul secolului XX . În anii următori, sistemul compus a fost abandonat treptat ca urmare a difuziei masive a dispozitivelor de supraîncălzire care, utilizate pe locomotive simple de expansiune, au permis costuri de construcție și întreținere mult mai mici, datorită complexității lor mai mici, pentru a obține rezultate de exploatare complet echivalente. Cu toate acestea, locomotivele compuse Mallet au fost construite pentru Norfolk și Western Railway până în 1952 .

Locomotivele compuse Vauclain

Desen secțional al unui motor compus cu cilindru AP și cilindru BP Vauclain

În 1889, Samuel M. Vauclain de la Baldwin Locomotive Works și-a dezvoltat propriul sistem de locomotivă cu dublă expansiune, cunoscut sub numele său (compusul Vauclain). Sistemul se bazează pe un motor cu dublă expansiune construit cu aceleași dimensiuni ca un sistem de expansiune simplu, care folosește un distribuitor cu un singur piston pentru a controla introducerea atât a cilindrilor de presiune ridicată, cât și a celor joase plasate fie deasupra, fie dedesubtul celeilalte. fiecare piston conectat la un singur dispozitiv cu cap transversal și, prin urmare, la un singur sistem bielă-manivelă cu simplificare fără îndoială a bielei motorului. ^[12] În ciuda rezultatelor strălucite obținute în ceea ce privește consumul și eficiența generală, sistemul Vauclain s-a dovedit a fi critic în ceea ce privește întreținerea, deoarece a necesitat calibrări precise și joc redus. Multe locomotive au fost transformate ulterior în sisteme clasice.

Tandemurile compuse

Motor cu cilindru compus tandem Vauclain

Sistemul „compus tandem” a fost testat în 1867 de către Erie Railroad ; în mod similar compusului Vauclain, fiecare pereche de cilindri AP și BP acționează o cruce comună pentru a acționa mecanismul bielă-manivelă, dar, spre deosebire de Vauclain, cilindrii sunt montați unul în spatele celuilalt. Peretele din spate al cilindrului din față este de obicei peretele din față al cilindrului din spate, dar sistemul de conectare al diferitelor tije pentru a ajunge la capătul transversal comun este destul de complex ^[13] .

Tandemurile construite în Marea Britanie erau trei: n. 224 al Căii Ferate Nord-Britanice , construită cu o expansiune simplă în 1871, modificată în 1885 ca un complex tandem și readusă la starea inițială doi ani mai târziu. Celelalte două erau vagoane Great Western Railway , una cu gabarit standard și cealaltă cu gabarit larg . În ambele locomotive, cilindrii de joasă presiune erau frontali ^[14] .

De Glehn

Sistemul compus cu 4 cilindri proiectat de Alfred de Glehn , inginer al Société Alsacienne de Constructions Mécaniques, a fost testat pe căile ferate franceze. Prototipul avea 4 cilindri cu dispunerea roților 1-1-1-0 cu roțile motoare acționate individual, de către cilindrii interni de înaltă presiune axa principală de conducere, în timp ce cilindrii externi de joasă presiune acționau celelalte axe. Au fost încercate diverse configurații prin inversarea acționărilor sau acționarea fiecărei axe individuale cu fiecare cilindru, dar cu rezultate slabe.

Sistemul De Glehn a fost adoptat de un număr mare de locomotive construite în Franța, Regatul Unit și Belgia. Multe mașini au avut o durată lungă de viață și din 1929 au făcut obiectul rafinamentelor de către André Chapelon, care le-au adus la niveluri ridicate de performanță.

August von Borries

Maffei din München a continuat, pentru o lungă perioadă de timp, să-și construiască compusul cu 4 cilindri (pentru căile ferate germane ) în principal conform sistemului conceput de August von Borries în ciuda unei politici care tindea să elimine dubla expansiune datorită complicațiilor sale mecanice.

Aduce

Livio Dante Porta în 1948, inspirat de 240 P al lui Chapelon, și-a pus mâna pe reconstrucția locomotivei din Argentina (primul său loc de muncă), transformând un vechi compus englezesc cu 4 cilindri într-un puternic Pacific 2-4-0.

Sauvage

Important din punct de vedere istoric, deși cu mai puține configurații și cu originile sale în Franța, a fost trei cilindri constând din doi cilindri externi de joasă presiune de 90 de grade, alimentat de un singur cilindru intern de joasă presiune cu manivela la 135 ° comparativ cu ceilalți . Prototipul a fost proiectat de Edouard Sauvage pentru Chemins de fer du Nord în 1887 . A rămas un exemplu unic, dar a funcționat timp de 42 de ani.

Smith, Johnson, Deeley

În 1898 , a apărut pe calea ferată de nord-est un prototip al unei locomotive compuse de roți 2-2-0 (clasa NER 3CC) cu aceleași dispozitive ca și Walter Mackersie Smith (la rândul său, o reconstrucție a unui vechi prototip Wordsell / Von Borries 2- compus cilindru). Unitatea a stat la baza construcției a 5 locomotive MR Clasa 1000 proiectate de Samuel W. Johnson pentru Midland Railway . Din 1905 au fost urmate de 40 de unități în care accesoriile lui Smith au fost înlocuite cu startere simplificate încorporate în regulator, realizate după un proiect de succesorul lui Johnson, Richard Deeley . Locomotivele originale ale lui Johnson din 1914 au fost reconstruite în tipologia Deeley și echipate cu un supraîncălzitor.

În 1923 a avut loc formarea Căilor Ferate Londra, Midland și Scoțiană ; testele comparative cu alte locomotive ale companiilor constitutive au arătat că compușii din Midland au fost mai buni, așa că au fost adoptați, într-o versiune ușor modificată, din 1925 până în 1932, ca locomotive standard pentru clasa expres 4, ajungând la numărul de 245 de unități.

Weymann

Din 1896, Weymann a introdus un tren de rulare 1-3-0 cu 3 cilindri, cu acționare de 120 ° și manivelă pentru service pe linia dificilă elvețiană Jura-Simplon; Au fost construite 147 de unități.

Locomotiva rutieră Burrell; puteți vedea cilindrii de înaltă și joasă presiune

Locomotive rutiere

În Marea Britanie, sistemul compus a fost utilizat pe scară largă pentru locomotivele rutiere. Cea mai obișnuită schemă a fost cea a unui cilindru de înaltă presiune și de joasă presiune.

Notă

Bibliografie

• Serviciul și Tracțiunea Căilor Ferate de Stat, Locomotiva cu aburi , Florența, Officine Grafiche Vallecchi, 1962.
• ( DE ) Brückmann, Beitrag zur Geschichte der Verbundlokomotive. , S. 294 și 1891, S. 192; Die Verbundlokomotive în Nordamerika. Ztschr. dt. Ing. 1894, S. 1213, 1890.
• ( DE ) Sanzin, Die Verbundlokomotive în Anglia , Verhandl. des Gewerbefleißes, S. 91, 1896.
• ( DE ) Ludwig, Troske , II. Teil, S. 222, Allgemeine Eisenbahnkunde.
• ( DE ) Guillery Stockert, Handbuch des Eisenbahnmaschinenwesens Bd. I, S. 251 .
• ( DE ) Karl Gölsdorf, Anfahrvorrichtung , Orga, 1894.
• ( DE ) Kühl Neue Bestrebungen im Lokomotivbau. Parametru de titolo gol sau lipsă ( ajutor )
• ( FR ) Mallet Étude sur les locomotives de montagne. Mémoires de la société des ingénieurs civiles, 1912 .
• ( DE ) Erich Metzeltin, Die neuen preußischen Verbundlokomotiven , Ztschr. dt. Ing. S. 641, 1909.
• ( DE ) Dawner, Vierzylinderverbund-Heißdampflokomotiven der Württembergischen Staatsbahnen , Ztschr. dt. Ing, 1909.
• ( EN ) SR Wood David P. Morgan, Trenuri, The thrifty compound , Milwaukee, Kalmbach Publishing Co., 1951.

Elemente conexe

• Locomotiva cu abur

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe locomotiva compusă

Portal de transport : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de transport