Una locomotora de vapor es una caldera sobre ruedas con un motor sujeto a un lado. Nada en ella es misterioso, y las cifras son lo bastante pequeñas para hacerlas a mano. Esta entrada sigue la energía desde la pala hasta el riel, y luego pone una cifra a la tracción del final.
Del carbón al vapor
El carbón arde en la parrilla del hogar. The hot gases do not go straight up the chimney. They are drawn forward through the boiler in many narrow tubos de humo, que atraviesan el agua. Muchos tubos dan a los gases una superficie mucho mayor para ceder su calor que un único conducto ancho.
El agua hierve y el vapor se acumula en un domo en la parte superior de la caldera, bajo presión. Las presiones de trabajo típicas de las locomotoras de vapor posteriores rondaban los 200 psi (unos 14 bar), y algunas funcionaban más alto. La presión es la parte útil: es lo que empuja el pistón.
Muchas máquinas hacen pasar luego el vapor por un sobrecalentador, un haz de tubos dentro de los tubos de humo más grandes. El sobrecalentamiento eleva el vapor muy por encima de su punto de ebullición a esa presión, así que queda seco. El vapor seco no se condensa dentro de los cilindros, donde el agua desperdiciaría calor y podría dañar el motor, y da más trabajo por cada kilogramo de agua.
Cilindros, bielas y ruedas
Una válvula admite vapor en un cilindro y empuja el pistón a lo largo de él. La biela de pistón y la biela de acoplamiento transmiten ese empuje a un muñón de manivela en la rueda motriz, que la hace girar. La propia rotación de la rueda devuelve el pistón a su sitio.
Los cilindros de las locomotoras son de doble efecto. Steam is let in on one side of the piston for the push out, and on the other side for the push back. That gives two power strokes per cylinder for every turn of the wheel. A conventional locomotive has two cylinders, one on each side, with their cranks set a quarter of a turn apart so the engine can always start from rest. So:
2 cilindros × 2 carreras cada uno = 4 tiempos motores por vuelta de rueda
De aquí viene el origen de las cuatro explosiones por vuelta de rueda que se oyen en una locomotora de dos cilindros. A un ritmo constante de una vuelta de las ruedas motrices por segundo, son cuatro resoplidos por segundo.
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El escape que alimenta el fuego
Tras cada carrera, el vapor usado sale del cilindro y se envía por la chimenea a través de una tobera de escape. The jet of exhaust pulls gas out of the smokebox with it, which lowers the pressure there and draws air through the fire tubes and in through the firebox grate. This is the sharp bark of the exhaust, and it has a useful feature: the harder the engine works, the more steam it exhausts, and the harder the fire is drawn. The draught rises with the demand, without anyone touching a control.
¿Cuánto puede tirar?
La regla práctica habitual para una locomotora de dos cilindros es:
esfuerzo de tracción = 0.85 × P × d² × s ÷ D
donde P es la presión de la caldera en psi, d el diámetro del cilindro en pulgadas, s la carrera del pistón en pulgadas, y D el diámetro de la rueda motriz en pulgadas. El resultado está en libras-fuerza (lbf). El 0.85 es una concesión convencional porque los cilindros no se llenan con la presión plena de la caldera durante toda la carrera. Es una estimación, no una medición.
Tomemos un motor ilustrativo: 200 psi de presión de caldera, dos cilindros de 20 in de diámetro y 26 in de carrera, y ruedas motrices de 68 in.
| Paso | Valor |
|---|---|
| 0.85 × 200 | 170 |
| d² = 20 × 20 | 400 |
| 170 × 400 × 26 | 1,768,000 |
| ÷ 68 | 26,000 lbf |
| En kilonewtons (× 4.448) | unos 115.7 kN |
El diseño muestra cómo se intercambia fuerza por velocidad. Un cilindro más grande, una carrera más larga o más presión aumentan la tracción. Una rueda más grande la reduce, porque el mismo empuje actúa sobre una palanca más larga. Una vuelta de una rueda de 68 in desplaza el motor π × 68 in, unos 5.43 m, así que una rueda grande cubre más terreno por carrera y sirve para trenes rápidos. Una rueda pequeña da más tracción y sirve para mercancías pesadas.
Si el motor puede usar toda esa fuerza es otra cuestión. Como explica la entrada sobre por qué los ferrocarriles siguen los ríos , la adherencia entre rueda y riel limita lo que puede arrastrar cualquier locomotora, por fuerte que empujen sus cilindros.
Una locomotora de vapor es un convertidor de energía deficiente. Normalmente menos de alrededor del 10% del calor del carbón acaba como trabajo en las ruedas. La mayor parte sale como gas caliente por la chimenea, como vapor de escape y como calor de la caldera.
Por qué la eficiencia sigue siendo baja
El vapor de escape sigue caliente y se lleva todavía gran parte del calor que entró en el agua. Una locomotora no puede recuperarlo, porque el escape es también lo que crea el tiro. El sobrecalentamiento y las válvulas mejores mejoraron las cosas, pero por debajo del 10% seguía siendo el rango habitual.
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