Uma locomotiva a vapor é uma caldeira sobre rodas com um motor preso na lateral. Nada nela é misterioso, e os números são pequenos o bastante para fazer à mão. Este post acompanha a energia desde a pá de carvão até o trilho, depois dá um valor para a força de tração no final.
Do carvão ao vapor
O carvão queima em uma grelha na fornalha. The hot gases do not go straight up the chimney. They are drawn forward through the boiler in many narrow tubos de fumaça, que atravessam a água. Muitos tubos dão aos gases uma área muito maior para ceder seu calor do que um único duto largo.
A água ferve e o vapor se acumula em uma cúpula no topo da caldeira, sob pressão. As pressões típicas de trabalho das locomotivas a vapor posteriores eram em torno de 200 psi (cerca de 14 bar), e algumas operavam mais alto. A pressão é a parte útil: é ela que empurra o pistão.
Muitos motores então passam o vapor por um superaquecedor, um conjunto de tubos dentro dos tubos de fumaça maiores. O superaquecimento eleva o vapor bem acima de seu ponto de ebulição naquela pressão, deixando-o seco. O vapor seco não condensa dentro dos cilindros, onde a água desperdiçaria calor e poderia danificar o motor, e ele rende mais trabalho por quilo de água.
Cilindros, hastes e rodas
Uma válvula admite vapor em um cilindro e empurra o pistão ao longo dele. A haste do pistão e a biela levam esse empuxo até um pino de manivela na roda motriz, que a faz girar. A própria rotação da roda traz o pistão de volta.
Os cilindros de ferrovia são de duplo efeito. 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 tempos cada = 4 tempos motores por volta da roda
Essa é a origem das quatro baforadas por volta da roda ouvidas em um motor de dois cilindros. Em um ritmo constante de uma volta das rodas motrizes por segundo, isso são quatro baforadas por segundo.
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O escape que alimenta a fornalha
Após cada tempo, o vapor usado sai do cilindro e é enviado pela chaminé através de um tubo 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.
Quanto ele consegue puxar?
A regra prática padrão para uma locomotiva de dois cilindros é:
esforço de tração = 0.85 × P × d² × s ÷ D
onde P é a pressão da caldeira em psi, d o diâmetro do cilindro em polegadas, s o curso do pistão em polegadas e D o diâmetro da roda motriz em polegadas. O resultado está em libras-força (lbf). O 0.85 é uma margem convencional para os cilindros não se encherem com a pressão total da caldeira durante todo o curso. É uma estimativa, não uma medição.
Considere uma locomotiva ilustrativa: pressão da caldeira de 200 psi, dois cilindros de 20 in de diâmetro e 26 in de curso, e rodas motrizes de 68 in.
| Passo | Valor |
|---|---|
| 0.85 × 200 | 170 |
| d² = 20 × 20 | 400 |
| 170 × 400 × 26 | 1,768,000 |
| ÷ 68 | 26,000 lbf |
| Em quilonewtons (× 4.448) | cerca de 115.7 kN |
A fórmula mostra como o projeto troca força por velocidade. Um cilindro maior, um curso mais longo ou mais pressão aumentam a tração. Uma roda maior a reduz, porque o mesmo empuxo atua em uma alavanca mais longa. Uma volta de uma roda de 68 in move a locomotiva π × 68 in, cerca de 5.43 m, então uma roda grande cobre mais terreno a cada curso e serve a trens rápidos. Uma roda pequena dá mais tração e serve a cargas pesadas.
Se o motor consegue usar toda essa força é outra questão. Como o post sobre por que as ferrovias seguem os rios explica, a aderência entre roda e trilho limita o que qualquer locomotiva consegue puxar, por mais forte que seus cilindros empurrem.
Uma locomotiva a vapor é um conversor de energia ruim. Normalmente, menos de cerca de 10 por cento do calor do carvão vira trabalho nas rodas. A maior parte sai como gás quente pela chaminé, como vapor de exaustão e como calor da caldeira.
Por que a eficiência fica baixa
O vapor de exaustão ainda está quente e continua levando embora grande parte do calor que foi para a água. A locomotiva não consegue recuperá-lo, porque a exaustão também é o que cria a tiragem. O superaquecimento e válvulas melhores ajudaram, mas abaixo de 10 por cento era a faixa usual.
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