¿Estáis preparados para un curso rápido de electricidad? Espero que sí, porque de ésto es de lo que va la entrada de hoy.
Una locomotora eléctrica es un cacharro que transforma la electricidad en movimiento destinado a tirar o empujar trenes y hay muchos tipos de locomotoras eléctricas, tantas como formas de manejar la electricidad, pero básicamente se reducen a dos: corriente continua y corriente alterna.
Corriente continua
Históricamente, la corriente continua ha sido la más sencilla de tratar. No por nada en especial, sino porque los primeros ensayos eléctricos se hacían con pilas y baterías (o artefactos similares más primitivos) que entregaban este tipo de electricidad. Debido a ello, los más grandes avances en los inicios de la electricidad se hicieron con este tipo de corriente.
La corriente continua (que está mal llamada así puesto que lo que es continuo es el valor de la tensión) es, como su propio nombre indica, la que tiene un valor fijo y constante que se mantiene a lo largo del tiempo. Una fuente de tensión continua puede ser, por ejemplo, la pila del mando a distancia de la tele. Esa pila, mientras no se agote, va a dar siempre un valor fijo de tensión. Si hablamos de una pila de las de andar por casa, serán 1,5 Voltios. Si hablamos de la batería del móvil, serán 3,6 Voltios. Si hablamos de un coche o un camión, serán 12 ó 24 Voltios. Y si hablamos de la catenaria (en el caso de la mayor parte de la red de ADIF), serán 3.000 Voltios.
Como ya tenemos nuestra fuente de alimentación para los trenes, que va a ser la catenaria, vamos a ver dónde se transforma esa energía eléctrica en movimiento, o sea, los motores eléctricos.
Un motor eléctrico es un cacharro que lo enchufas y se mueve. Ejemplos de motores eléctricos de andar por casa: un taladro, el exprimidor de naranjas, la lavadora, el secador de pelo, la maquinilla de afeitar... Ejemplos de motores eléctricos un poquito más grandes: la depuradora de la piscina, bombas de extracción de agua, un tren (o metro o tranvía), un submarino nuclear... Todos ellos, sean del tamaño que sean, tengan la potencia que tengan, y estén diseñados con la tecnología que sea, están basados en lo mismo: el electromagnetismo.
El electromagnetismo es la utilización y generación de campos magnéticos por medio de la electricidad. ¿Y eso de campos magnéticos qué es? Pues, así en sencillo, imanes. Una serie de científicos, en los siglos XVII y XVIII descubrieron toda una serie de fenómenos magnéticos que se producían en presencia de electricidad, y es a lo que se llamó electromagnetismo. James Clerk Maxwell, un físico escocés, fue el encargado de unir todas esas experiencias en una serie de leyes matemáticas que describen ese fenómeno y que se conocen como Ecuaciones de Maxwell.
Aplicando estos fenómenos, se inventaron los motores eléctricos, de los cuales, el más sencillo sería el que describo ahora. Ponemos dos imanes con los polos opuestos enfrentados, o sea, Norte a la izquierda y Sur a la derecha, por ejemplo. A esta pieza le llamamos estátor. Dentro del estátor colocamos dos bobinas unidas a un eje giratorio. Las bobinas no son más que cables enrollados alrededor de un núcleo, normalmente de hierro (también las puede haber sin núcleo, pero para otras aplicaciones). A las puntas de las bobinas le ponemos unos contactos eléctricos que estarán fijadas en un lado del eje y alrededor de éste. Son las delgas. Algo así:
Cuando le aplicamos tensión a las bobinas, éstas generan un campo magnético, haciendo que el rotor (que así es como se llama esta pieza) se convierta en un imán. Si hemos conectado bien los polos de las bobinas, el imán tendrá una polaridad exactamente inversa a la de los imanes del estátor, es decir, que tenemos un imán con el polo Norte a la derecha y Sur a la izquierda. Como sabemos, de cuando íbamos al cole y hacíamos experimentos de estos en clase de ciencias (o tecnología, o como quiera que se llame ahora), los polos opuestos se atraen y los iguales se repelen. Por lo tanto, se genera una fuerza que hace que el rotor gire sobre su eje porque los polos del estátor lo están empujando. Una vez que el rotor ha empezado a girar, las escobillas (las piezas de grafito a través de las cuales le pasamos la corriente a las delgas) que están fijas en el estátor, pierden el contacto con las bobinas y dejan de alimentarlas. Pero como el rotor se está moviendo, llega un momento en que las delgas vuelven a entrar en contacto con las escobillas, por lo que, nuevamente, alimentamos las bobinas, y se vuelve a producir el mismo efecto. Y así, gracias al electromagnetismo es como creamos movimiento a partir de electricidad.
El motor que he descrito es el más sencillo y rudimentario, y tiene muchos inconvenientes (como que no sabes en qué dirección va a girar), así que para poder controlar mejor el moto, o darle más potencia, se ponen más bobinas en el rotor y más imanes en el estátor (también llamados inducidos o carcasas, respectivamente). Normalmente el número de polos del estátor es par (por eso de que los polos aislados no existen) y el número de bobinas del rotor es impar, creando así una diferencia que hará que nunca estén perfectamente enfrentados dos polos de la carcasa con dos bobinas del inducido.
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| Ilustración de un motor eléctrico básico. Imagen extraída de https://en.wikipedia.org/wiki/File:Electric_motor_cycle_2.png, donde se especifica que su distribución es libre según varias licencias. Imagen creada por Wapcaplet. |
Cuando le aplicamos tensión a las bobinas, éstas generan un campo magnético, haciendo que el rotor (que así es como se llama esta pieza) se convierta en un imán. Si hemos conectado bien los polos de las bobinas, el imán tendrá una polaridad exactamente inversa a la de los imanes del estátor, es decir, que tenemos un imán con el polo Norte a la derecha y Sur a la izquierda. Como sabemos, de cuando íbamos al cole y hacíamos experimentos de estos en clase de ciencias (o tecnología, o como quiera que se llame ahora), los polos opuestos se atraen y los iguales se repelen. Por lo tanto, se genera una fuerza que hace que el rotor gire sobre su eje porque los polos del estátor lo están empujando. Una vez que el rotor ha empezado a girar, las escobillas (las piezas de grafito a través de las cuales le pasamos la corriente a las delgas) que están fijas en el estátor, pierden el contacto con las bobinas y dejan de alimentarlas. Pero como el rotor se está moviendo, llega un momento en que las delgas vuelven a entrar en contacto con las escobillas, por lo que, nuevamente, alimentamos las bobinas, y se vuelve a producir el mismo efecto. Y así, gracias al electromagnetismo es como creamos movimiento a partir de electricidad.
El motor que he descrito es el más sencillo y rudimentario, y tiene muchos inconvenientes (como que no sabes en qué dirección va a girar), así que para poder controlar mejor el moto, o darle más potencia, se ponen más bobinas en el rotor y más imanes en el estátor (también llamados inducidos o carcasas, respectivamente). Normalmente el número de polos del estátor es par (por eso de que los polos aislados no existen) y el número de bobinas del rotor es impar, creando así una diferencia que hará que nunca estén perfectamente enfrentados dos polos de la carcasa con dos bobinas del inducido.
En este tipo de motores, para conseguir más velocidad, se aplica más tensión. Y para que vaya más despacio, menos. Pero el problema que tenemos es que la catenaria tiene una tensión fija, por lo que, cuando conectáramos la catenaria al motor, éste empezaría a girar a la máxima velocidad, y eso no es lo que queremos. Tenemos que inventar un modo de reducir el valor de la tensión que le llega al motor. La forma más sencilla de hacerlo es a través de un divisor de tensión.
Un divisor de tensión es una configuración de elementos eléctricos que consigue que la tensión, allí donde yo quiero aplicarla (la que llega al motor), sea menor que la nominal (la que viene de la catenaria). Y esto se consigue con una cosa tan sencilla como una resistencia.
Una resistencia eléctrica es un artilugio que, como su propio nombre indica, presenta resistencia a la circulación de corriente eléctrica, provocando que entre sus bornas (las puntas) caiga una tensión que es proporcional a la resistencia que presenta.
Vamos a aclarar esto. Vamos a suponer que nuestra fuente de tensión es un depósito de agua, los cables son tuberías, y todo lo que conectamos al circuito eléctrico son grifos, codos, válvulas, etc... La tensión viene representada por la altura que alcanza el agua en el depósito. La corriente sería la cantidad de agua que pasa por las tuberías. Una resistencia sería un estrechamiento en una de las tuberías. Bien, pues ese es exactamente el efecto que provoca una resistencia, que puede pasar menos agua por ese punto.
Ahora conectamos la resistencia en serie con el motor. En serie quiere decir que ponemos una borna de la resistencia a la catenaria, y la otra borna al motor. Y del motor, la borna que nos queda la conectamos al carril. Luego ya, el carril y la catenaria están conectados entre sí en la subestación, pero cómo se hace, ahora no nos importa. Así pues, la tensión que le llega al motor es menor cuanto mayor sea la resistencia. Algo así:
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| Motor y resistencia en serie. |
Pero claro, es poco factible estar cambiando la resistencia según queramos que aumente la velocidad del motor. Así que lo que se hace es poner muchas resistencias pequeñitas en serie y nosotros conectamos nuestro motor a las bornas que nos interesen en cada momento. Lógicamente no lo hacemos a mano, sino a través de contactores, relés, interruptores y demás cachivaches.
Un ejemplo. Tengo 10 resistencias entre la catenaria y el motor. Las vamos a numerar del 1 al 10, siendo la resistencia 1 la primera justo después del pantógrafo y la 10 la última. Están todas conectadas en serie, una tras otra, y la borna que queda libre de la 10 está al aire, o sea, sin conectar. Una de las bornas del motor está en las ruedas (que están conectadas eléctricamente al carril, recordad que son de hierro) y la otra la tengo yo en la mano (sólo figuradamente claro). Cuando quiero empezar a moverme, conecto el cable del motor a la resistencia 10 (a la borna al aire). Así, me está llegando al motor una tensión que es 10 veces menor que la de la catenaria (unos 300 Voltios). Y con estos 300 Voltios, mi motor gira a 100 rpm (revoluciones por minuto), por ejemplo.
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| Resistencias en serie con el motor. |
Cuando el motor haya alcanzado esa velocidad o a mí me interese ir más rápido, quito el cable de la resistencia 10, y lo pongo en la 9 (entre la 9 y la 10). Ahora me están llegando al motor más Voltios que antes. Ahora mi motor gira más rápido. Levanto el cable y lo pongo en la resistencia 8, y aumenta la tensión en bornas del motor, lo que le obliga a girar más rápido. Luego levanto el cable y lo pongo en la 7, en la 6, en la 5, y así hasta que el motor va "a toda leche" y finalmente lo conecto directamente a la catenaria, con lo que le llegan los 3.000 Voltios y el motor va "a tope". Hala, ya estamos corriendo. Sencillo, ¿verdad? Es lo que se llama el control reostático del motor.
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| Secuencia de conexión de resistencias para regular la velocidad del motor. |
Sólo tiene una pega (grande). La resistencia, por el mero hecho de serlo, se calienta cuando pasa corriente a través de ella, por lo que parte de la energía eléctrica que hemos empleado para acelerar el motor, la hemos perdido en forma de calor. Así que tenemos que poner unos ventiladores grandes para disipar ese calor y que no se nos queme la máquina. Como conclusión, no hemos aprovechado toda la energía que hemos consumido para convertirla en movimiento. Hemos perdido parte en forma de calor.
Además de esta conexión, que es la más sencilla que podemos hacer, también se hacen otro tipo de conexiones. Por ejemplo se hacen combinaciones de motores en serie, o en paralelo, o mezclas de las dos, y además se usan otro truquitos eléctricos, como los shuntados, pero como la intención es que tengáis una idea y no hacer un curso completo de tracción eléctrica, no vamos a entrar tanto en detalle. Pensad que hay ingenieros que dedican toda su carrera a desarrollar estos sistemas.
Además de esta conexión, que es la más sencilla que podemos hacer, también se hacen otro tipo de conexiones. Por ejemplo se hacen combinaciones de motores en serie, o en paralelo, o mezclas de las dos, y además se usan otro truquitos eléctricos, como los shuntados, pero como la intención es que tengáis una idea y no hacer un curso completo de tracción eléctrica, no vamos a entrar tanto en detalle. Pensad que hay ingenieros que dedican toda su carrera a desarrollar estos sistemas.
La mayor parte de las locomotoras de corriente continua antiguas eran de este tipo, como las 6000 (260), 6100 (261), 7000 (270), 7100 (271), 7200 (272), 7300 (273) de Norte, las 1000 (281) del Estado, las 1100 (282) del BPT, las 7400(274), 7500 (275), 7600 (276), 7700 (277), 7800 (278), 7900 (279), 8900 (289), 10000 (280), 269 y 250 de Renfe, y en cuanto a unidades, las 300 de Norte/Renfe, las 400 (434), 500 (435.500), 600 (436), 700 (437), 800 (438), 900 (439), 432, 440, 441, 443, 444, 448 y, aunque parezca mentira, los AVEs 100 y los desaparecidos Euromed 101.
Otras formas de control en continua
Como el gran inconveniente del control reostático es la pérdida de energía en forma de calor, vamos a intentar minimizarla. Y esto lo conseguimos gracias a la electrónica.
Una de las formas más habituales de control electrónico (en los trenes, al menos) es un tipo de señal llamado PWM (Pulse Width Modulation en inglés, Modulación de Ancho de Pulso en castellano). También es conocido como chopper o "troceador" en inglés. Y es que, precisamente, se trata de eso, de trocear una tensión continua para engañar al motor pensando que es una continua.
Vamos a generar ahora una señal periódica cuadrada de frecuencia alta. Es una señal (llamamos señal a cualquier magnitud eléctrica con variación en el tiempo) cuyo valor va a ser el máximo durante un periodo de tiempo, y luego cero durante otro periodo. Pasado ese tiempo, se vuelve a repetir tal cual. Es también lo que llamamos frecuencia (en realidad, frecuencia es el inverso del periodo). Normalmente esta frecuencia está en la franja de los Kilohertzios (kHz). La frecuencia es alta para un motor, no para otras aplicaciones. Así, por ejemplo, una señal de 1 kHz (o 1.000 Hz) tiene un periodo de 1 ms (1 milisegundo o una milésima de segundo), es decir, que la señal se repite 1.000 veces por segundo. Y por último, antes de seguir, vamos a definir lo que es el ciclo de trabajo: es la parte del periodo en el que la señal tiene el valor máximo. Se suele expresar en porcentaje.
De esta forma, con una señal PWM de 1 kHz, si el ciclo de trabajo es del 10 %, quiere decir que durante una diezmilésima de segundo el valor de la tensión es máximo, y durante las 9 diezmilésimas siguientes, es cero. Si el ciclo de trabajo es del 50 %, serán 5 y 5. Y si es del 90%, serán 9 y 1.
Aquí, un ejemplo de señal PWM.
Aquí, un ejemplo de señal PWM.
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| Señal PWM (Pulse Width Modulation). Extraída de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Duty_cycle_general.png creada por Cirill BUTAY y distribuida bajo la licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported. |
¿Y cómo conseguimos engañar al motor de continua para que piense que esta señal tan extraña es continua?
Pues resulta que el motor, por su construcción eléctrica (todas esas bobinas y demás) es muy reacio a los cambios bruscos de corriente o tensión, y responde con una fuerza electromotriz que hace que todos los cambios se hagan tranquilamente y despacio (cuanto más grande el motor y más grandes las inercias, más despacio, por eso en un motor chiquitito tipo Scalextric o Ibertrén los cambios son rápidos, y en un secador de pelo son más lentos). Y precisamente por esa fuerza electromotriz, el motor "cree" que la tensión es continua. Y además, el efecto es que si aplicamos una PWM del 25%, el motor de nuestro tren "cree" que le están llegando 750 V (un 25% de 3.000). Y si es del 10%, "creerá" que le llegan 300 V. Y si la señal es del 100%, entonces no cree nada, es que le llegan 3.000 Voltios directamente.
Con esto hemos conseguido quitarnos de enmedio las resistencias para el arranque, y ya no perdemos energía en calentarlas inútilmente.
De este tipo son las locomotoras y unidades eléctricas medianamente modernas, como por ejemplo las 250.600, 251, 269.600, 440.500, 442, 445, 446, 450 y 451 de Renfe. Y sí, el chopper es ese zumbido tan molesto que se oye en algunas 446 de Cercanías al arrancar o frenar.
Y ahora, vamos a frenar.
El freno eléctrico
Si tuviéramos que frenar el tren sólo con las zapatas de freno, nos las cargaríamos a nada que tuviéramos que frenar unas pocas veces. Por eso, vamos a aprovechar los motores eléctricos para que nos ayuden a frenar.
Con la misma configuración de antes de resistencias y motor, ahora desconectamos las resistencias de la catenaria, y el motor de las ruedas y conectamos una borna del motor a la resistencia 1.
Hay algo que no os he contado antes, que voy a aprovechar para hacerlo ahora. Un motor eléctrico también puede funcionar al revés. Es capaz de generar electricidad a través del movimiento. Igual que antes se generaban campos magnéticos al pasar la corriente, resulta que si movemos una bobina en el interior de un campo magnético, se genera corriente eléctrica. Y ese efecto es el que vamos a aprovechar para frenar.
Cuando desconectamos el motor de la catenaria, éste, al girar, genera una tensión en sus bornas. Con la borna del motor que tenemos al aire, vamos a conectarla a la resistencia 10, que la seguimos teniendo al aire.
Ahora, la tensión que está generando el motor está provocando el paso de corriente eléctrica por todas nuestras resistencias, y esto hace que el motor empiece a frenarse. Es la llamada fuerza contraelectromotriz. A medida que el motor va girando cada vez más despacio, o en función de la cantidad de freno que yo necesite, conecto el motor a las resistencias 9, 8, 7, 6 y así hasta la 1, en que tengo, cada vez, mayor fuerza de frenado. Por último, la máxima fuerza de frenado se obtiene cortocircuitando el motor, o sea, conectando las bornas del motor entre sí directamente.
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| Configuración para frenado eléctrico. |
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| Secuencia de conexión de resistencias para frenado eléctrico. |
El inconveniente es que nunca podré llegar a parar el motor del todo, puesto que, cuanto más despacio gire el motor, menos tensión genera y menos fuerza contraelectromotriz tengo, así que llega un momento en que el freno eléctrico no es efectivo. Pero como ya he reducido la velocidad del tren mogollón, ya puedo usar el freno de zapatas sin miedo a desgastarlas excesivamente.
Además, el freno eléctrico (o reostático), no es tan efectivo ni tan potente como el neumático, por lo que muchas veces se usan ambos conjuntamente.
Y ya que estamos con inconvenientes, ese paso de corriente por las resistencias provoca que toda esa energía se disipe en forma de calor, por lo que toda la energía que hemos usado para que nuestro tren se mueva, la desperdiciamos ahora calentando la atmósfera, o sea, calentando nada.
Pero, el freno eléctrico tiene una ventaja muy importante. Y es que puede ser regenerativo, es decir, que esa energía que antes se iba en calor, ahora se la entregamos a la catenaria para que cualquier otro tren que circule por ese tramo pueda aprovecharla. Lo que pasa es que, en continua, ésto tiene un efecto negativo, que cuando la catenaria u otros trenes no admiten más energía, hay que pasarla por las resistencias y perderla en calor.
Corriente alterna
La corriente alterna (ya hemos dicho que deberíamos de decirle más bien tensión alterna) es la que, al contrario que la continua, no tiene un valor fijo a lo largo del tiempo, sino que éste va cambiando. La tensión alterna más habitual es aquélla cuyo valor oscila de forma sinusoidal con una frecuencia de 50 Hertzios. Es decir, la que tenemos en casa, que cambia de polaridad (de +220 a -220 Voltios) 50 veces por segundo.
Esto es una señal sinusoidal como la que llega a los enchufes de vuestra casa:
Esto es una señal sinusoidal como la que llega a los enchufes de vuestra casa:
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| Señal sinusoidal. Extraída de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sin.svghttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sin.svg, de dominio público. |
Un motor de corriente alterna es casi igual que uno de continua, sólo que, en lugar de imanes permanentes en la carcasa, ponemos bobinas, o sea, un cable arrollado en la propia carcasa, formando así el estátor. El paso de corriente eléctrica alterna provoca un cambio de polaridad magnética constante. A su vez, el paso de corriente por las bobinas del rotor, provoca lo mismo. Y todos esos cambios de campos magnéticos provocan que el motor gire. El único problema es que girará siempre a la misma velocidad (caso del exprimidor o la batidora si es antigua). Por eso es por lo que las primeras locomotoras eléctricas de España (en vía ancha), las del Gérgal-Santa Fe, sólo podían ir a 12,5 o a 25 km/h.
Pero las locomotoras 1 a 7 del Gérgal-Santa Fe no fueron las únicas trifásicas de España. En 1963 Renfe adquiere 4 más que conformaron la serie 21 a 24, aunque sólo estuvieron 4 años en servicio por la obsolescencia del sistema trifásico.
Pero las locomotoras 1 a 7 del Gérgal-Santa Fe no fueron las únicas trifásicas de España. En 1963 Renfe adquiere 4 más que conformaron la serie 21 a 24, aunque sólo estuvieron 4 años en servicio por la obsolescencia del sistema trifásico.
Por eso se inventaron los motores síncronos y asíncronos. En éstos se consigue variar la velocidad variando la frecuencia de la señal que les llega. Pero claro, esto sólo se pudo hacer de forma sencilla y barata con la expansión de la electrónica de potencia, ya que, gracias a ella, podemos generar cualquier tipo de señal con cualquier valor que se nos ocurra.
Como cosa curiosa, podemos encontrarnos locomotoras como las Taurus de Siemens que "hacen música" cada vez que aceleran. Aquí una muestra: https://www.youtube.com/watch?v=d3cdL-HkfIU.
En España tenemos, principalmente, dos tipos de locomotoras o unidades eléctricas de alterna. Por un lado están las locomotoras y unidades que se alimentan en continua, pero cuyos motores son de alterna como las 252, 253, 490, 449, Civias, 120, 121, 130 y 730. Bueno, la verdad es que estos últimos 4 vehículos son un tanto especiales en este sentido porque se pueden alimentar en alterna y en continua.
En todos estos vehículos, que se alimentan con tensión continua, pero cuyos motores son de alterna, hay unos equipos electrónicos bastante avanzados que convierten esa tensión continua en alterna y pueden variar la frecuencia, la amplitud (el valor de la tensión) y prácticamente todos los parámetros que se nos puedan ocurrir. Además, también se pueden programar para hacer arranques más lentos, más rápidos, más económicos, o cualquier otra cosa que se nos ocurra.
En todos estos vehículos, que se alimentan con tensión continua, pero cuyos motores son de alterna, hay unos equipos electrónicos bastante avanzados que convierten esa tensión continua en alterna y pueden variar la frecuencia, la amplitud (el valor de la tensión) y prácticamente todos los parámetros que se nos puedan ocurrir. Además, también se pueden programar para hacer arranques más lentos, más rápidos, más económicos, o cualquier otra cosa que se nos ocurra.
También están los vehículos que se alimentan directamente en alterna de la catenaria y tienen motores de alterna, como los 102, 103, 104, 112, 114, 120, 121, 130, 730 y las 252 de las LAV. Estos vehículos se alimentan con la tensión de 25.000 V en alterna a 50 Hz. Sin embargo, llevan sistemas de control de potencia muy similares a los anteriores.
Freno regenerativo
Como dijimos antes, un motor eléctrico se puede convertir en un generador. Sólo hace falta que, en vez de aplicarle tensión, lo movamos y conectemos algo a sus bornas. Con los motores de alterna pasa lo mismo. Sólo que aquí ya podemos devolver energía a la red eléctrica general. La razón es muy sencilla.
Transformar corriente alterna en corriente continua es bastante fácil y barato. Sólo hacen falta unos rectificadores adecuados. Los más sencillos suelen ser diodos, y su coste es bastante bajo, dependiendo de la aplicación. Pensad, por ejemplo, en lo que cuesta un cargador de móviles, o de pilas recargables. Esa transformación, en el ferrocarril, es la que se hace en las subestaciones, que, como dijimos, reciben corriente alterna de la red eléctrica general y la transforman en continua, que es la que nos hace falta para los trenes.
Sin embargo, transformar corriente continua en alterna es algo más complicado. Hacen falta equipos mucho más caros y complejos. Hasta la proliferación de la electrónica de potencia, era algo casi imposible de hacer, salvo que se hiciera con motores y alternadores, pero claro, aparte de caros, son aparatos que requieren un mantenimiento constante. E incluso, con electrónica de por medio, sigue siendo muy costoso para las magnitudes eléctricas que maneja el ferrocarril.
Pero, transformar corriente alterna en otra corriente alterna es muy sencillo. Mucho más que de alterna a continua. Aquí sólo nos hacen falta unos transformadores, como los que usábamos antiguamente para hacer funcionar los aparatos de 125 a 220, sólo que un poquito más bestias. Y esos transformadores pueden ser exactamente los mismos que tenemos en las subestaciones.
Pues ahora, sabiendo todo esto, imaginad que un tren de alterna (un AVE, por ejemplo) sale de una estación. Lógicamente, al estar acelerando, consumirá energía, que tendrá que entregarle una subestación y que la recibirá, a su vez, de la red eléctrica general. Ese tren llega a su máxima velocidad y tiene que empezar a frenar. La lógica nos dice que para bajar de 300 km/h a 0, lo ideal es usar el freno eléctrico. En ese momento, los motores pasan a convertirse en generadores y nos van a generar una tensión alterna de 50 Hz, exactamente la misma que la de la red eléctrica general. Esa energía que estamos generando ahora, el tren se la entrega a la catenaria, y ésta la transporta hasta la subestación. Si hay algún tren en ese tramo que esté demandando energía, la subestación se la entregará a ese tren, pero si no lo hay, no la puede almacenar. Pero da la casualidad de que es corriente alterna a 50 Hz. Asi que la subestación, ni corta ni perezosa, la transforma a la misma tensión que le llega de la red eléctrica general y se la devuelve, así, sin más. "Toma, no me hace falta." Y la red eléctrica, que es muy lista, se la queda y la distribuye a quien haga falta, que puede ser, por ejemplo, el ordenador con el que estás leyendo esto ahora mismo. (bueno, es un caso hipotético, pero posible).
De todo esto puedes deducir de forma muy sencilla, que los trenes AVE no son esos tragones brutales de energía eléctrica (que lo son, pero no tanto), porque parte de la energía que han consumido para poder ponerse a esas velocidades, luego la devuelven a la hora de frenar.
Pero ahí no queda todo. Resulta que los trenes, gracias a esas masas tan grandes que mueven (un tren AVE serie 100 pesa unas 420 toneladas) tienen unas inercias brutales. Es decir, que si lo pongo a tope, a 300 km/h y dejo de acelerar, por sí solo tardara muchos kilómetros en pararse. Pero muchos, ¿eh? Hasta tal punto es así, que hubo un estudio hace años (lamento no tener la referencia) que demostró que un AVE serie 100 entre Madrid y Sevilla, circulando a la máxima velocidad permitida en cada tramo, circulaba un 75% del tiempo con el regulador cerrado, o sea, sin consumir nada de nada (bueno, sólo alumbrado y climatización). Es decir, que de las 2 horas y cuarto que dura el viaje, el tren sólo estaba consumiendo energía durante media hora. El resto del tiempo, o estaba a cero, o estaba devolviendo energía a la red.
Otros tipos de freno eléctrico
Algunos habréis oído algo sobre los frenos eléctricos que tienen los AVE serie 103 (los Velaro de Siemens, que circulan, con pocas modificaciones, en Alemania, Francia, Holanda y España). Es un freno llamado "freno de corriente de Foucault". Está basado en un efecto que se produce cuando un conductor eléctrico atraviesa un campo magnético variable. En ese caso, se genera una corriente eléctrica debida a la energía cinética (el movimiento del tren) que podemos transformar fácilmente en calor que se disipa rápidamente a través de los carriles. Si queréis una explicación más extensa, os recomiendo (siempre que habléis inglés o alemán) los siguientes enlaces de la Wikipedia:
Freno regenerativo
Como dijimos antes, un motor eléctrico se puede convertir en un generador. Sólo hace falta que, en vez de aplicarle tensión, lo movamos y conectemos algo a sus bornas. Con los motores de alterna pasa lo mismo. Sólo que aquí ya podemos devolver energía a la red eléctrica general. La razón es muy sencilla.
Transformar corriente alterna en corriente continua es bastante fácil y barato. Sólo hacen falta unos rectificadores adecuados. Los más sencillos suelen ser diodos, y su coste es bastante bajo, dependiendo de la aplicación. Pensad, por ejemplo, en lo que cuesta un cargador de móviles, o de pilas recargables. Esa transformación, en el ferrocarril, es la que se hace en las subestaciones, que, como dijimos, reciben corriente alterna de la red eléctrica general y la transforman en continua, que es la que nos hace falta para los trenes.
Sin embargo, transformar corriente continua en alterna es algo más complicado. Hacen falta equipos mucho más caros y complejos. Hasta la proliferación de la electrónica de potencia, era algo casi imposible de hacer, salvo que se hiciera con motores y alternadores, pero claro, aparte de caros, son aparatos que requieren un mantenimiento constante. E incluso, con electrónica de por medio, sigue siendo muy costoso para las magnitudes eléctricas que maneja el ferrocarril.
Pero, transformar corriente alterna en otra corriente alterna es muy sencillo. Mucho más que de alterna a continua. Aquí sólo nos hacen falta unos transformadores, como los que usábamos antiguamente para hacer funcionar los aparatos de 125 a 220, sólo que un poquito más bestias. Y esos transformadores pueden ser exactamente los mismos que tenemos en las subestaciones.
Pues ahora, sabiendo todo esto, imaginad que un tren de alterna (un AVE, por ejemplo) sale de una estación. Lógicamente, al estar acelerando, consumirá energía, que tendrá que entregarle una subestación y que la recibirá, a su vez, de la red eléctrica general. Ese tren llega a su máxima velocidad y tiene que empezar a frenar. La lógica nos dice que para bajar de 300 km/h a 0, lo ideal es usar el freno eléctrico. En ese momento, los motores pasan a convertirse en generadores y nos van a generar una tensión alterna de 50 Hz, exactamente la misma que la de la red eléctrica general. Esa energía que estamos generando ahora, el tren se la entrega a la catenaria, y ésta la transporta hasta la subestación. Si hay algún tren en ese tramo que esté demandando energía, la subestación se la entregará a ese tren, pero si no lo hay, no la puede almacenar. Pero da la casualidad de que es corriente alterna a 50 Hz. Asi que la subestación, ni corta ni perezosa, la transforma a la misma tensión que le llega de la red eléctrica general y se la devuelve, así, sin más. "Toma, no me hace falta." Y la red eléctrica, que es muy lista, se la queda y la distribuye a quien haga falta, que puede ser, por ejemplo, el ordenador con el que estás leyendo esto ahora mismo. (bueno, es un caso hipotético, pero posible).
De todo esto puedes deducir de forma muy sencilla, que los trenes AVE no son esos tragones brutales de energía eléctrica (que lo son, pero no tanto), porque parte de la energía que han consumido para poder ponerse a esas velocidades, luego la devuelven a la hora de frenar.
Pero ahí no queda todo. Resulta que los trenes, gracias a esas masas tan grandes que mueven (un tren AVE serie 100 pesa unas 420 toneladas) tienen unas inercias brutales. Es decir, que si lo pongo a tope, a 300 km/h y dejo de acelerar, por sí solo tardara muchos kilómetros en pararse. Pero muchos, ¿eh? Hasta tal punto es así, que hubo un estudio hace años (lamento no tener la referencia) que demostró que un AVE serie 100 entre Madrid y Sevilla, circulando a la máxima velocidad permitida en cada tramo, circulaba un 75% del tiempo con el regulador cerrado, o sea, sin consumir nada de nada (bueno, sólo alumbrado y climatización). Es decir, que de las 2 horas y cuarto que dura el viaje, el tren sólo estaba consumiendo energía durante media hora. El resto del tiempo, o estaba a cero, o estaba devolviendo energía a la red.
Otros tipos de freno eléctrico
Algunos habréis oído algo sobre los frenos eléctricos que tienen los AVE serie 103 (los Velaro de Siemens, que circulan, con pocas modificaciones, en Alemania, Francia, Holanda y España). Es un freno llamado "freno de corriente de Foucault". Está basado en un efecto que se produce cuando un conductor eléctrico atraviesa un campo magnético variable. En ese caso, se genera una corriente eléctrica debida a la energía cinética (el movimiento del tren) que podemos transformar fácilmente en calor que se disipa rápidamente a través de los carriles. Si queréis una explicación más extensa, os recomiendo (siempre que habléis inglés o alemán) los siguientes enlaces de la Wikipedia:
FUNCIONAMIENTO DE LA LOCOMOTORA DE VAPOR
En los miles de años de su historia, la humanidad había satisfecho sus necesidades energéticas con sencillos medios naturales: La principal fuente e energía era el músculo ya sea del propio hombre (libre o esclavizado), o de unos pocos animales domesticados. Aparte de eso, el ingenio había permitido desarrollar algunas máquinas movidas por energía hidráulica o eólica. Así surgieron los molinos hidráulicos o de viento, y ciertos mecanismos usados en fraguas, batanes, y poco más.
Respecto del transporte, o se utilizaban barcos movidos a remo o a vela, tanto en ríos como en el mar, o había que recurrir a lentos carromatos arrastrados por caballerías o bueyes. Esto hacía que el transporte, fuera de las rutas acuáticas, fuera muy penoso y lento, y por lo tanto caro, y explica que las principales ciudades surgieran a la orilla de los grandes ríos o en la costa, y mejor aún si ambas circunstancias coincidían.
Pero en el siglo XVIII, las cosas empezaron a cambiar. Una serie de circunstancias concurrieron en los alrededores de las minas de carbón inglesas: por un lado la abundancia de carbón como combustible. Por otro la necesidad de tener alguna máquina que moviese las bombas para drenar las minas.
Se reconoce a la máquina de Newcomen como el primer ingenio que utilizó el vapor de agua producido en una caldera, para generar un trabajo útil, en este caso mover las bombas de achique que extraían el agua que se filtraba continuamente en las minas. La imagen animada de la izquierda reproduce el esquema de este sencillo aparato que consta de un cilindro vertical que se llena del vapor producido en una caldera. Cuando el cilindro está lleno de vapor, y el pistón en la parte superior, se cierra el paso de vapor y se abre el paso a un chorro de agua fría que enfría el vapor y lo condensa, con lo que su volumen disminuye, baja el pistón y la máquina tira del vástago de la bomba representado a la izquierda. Cuando el cilindro se ha vaciado del agua de refrigeración y del agua condensada, se vuelve a abrir la llave del vapor para que el cilindro se llene de nuevo de vapor y el émbolo suba, repitiéndose el ciclo.
Esta máquina es de 1712 y según Wikipedia se construyeron más de 100 hasta 1773.
La verdad es que para esa época debió ser un invento genial, aunque vista con ojos de hoy resulta un tanto ingenua: El esfuerzo útil se produce cuando la máquina tira del vástago de la bomba hacia arriba, y por lo tanto cuando el pistón desciende en el cilindro, y ¿que fuerza es la que hace bajar este pistón? desde luego no la expansión del vapor, porque durante esa parte del ciclo, el volumen que contenía el vapor está disminuyendo. Es exclusivamente la presión atmosférica la que impulsa el pistón hacia abajo al quedar el cilindro en vacío cuando el vapor se condensa por el chorro de agua fría. Esta es la razón por la que se suele decir que la máquina de Newcomen es "atmosférica". Hubiese bastado con disponer un cilindro cerrado por arriba y que el vapor entrase a esa cámara superior cerrada para que la máquina fuese ya una verdadera maquina de vapor, pero....
LA MAQUINA DE VAPOR
Pero... tuvo que llegar Watt quién se percató, no sólo del desperdicio de la potencia producida en la expansión del vapor, sino de la mala eficiencia termodinámica de la máquina cuyo cilindro alternativamente se calentaba con el vapor y se enfriaba con el agua fría. Se propuso mejorar el diseño y verdaderamente consiguió su objetivo, diseñando una máquina sobre cuyo pistón actúa la fuerza expansiva del vapor, tanto en un sola de las caras (máquinas de simple efecto) como alternativamente en ambas caras (máquinas de doble efecto). El vapor expandido pero no condensado se expulsaba todavía caliente del cilindro impulsado por el propio pistón, de forma que el cilindro permanece a temperatura constante. Este vapor expandido se expulsa a la atmósfera o se lleva a un condensador donde se enfría y se convierte en líquido otra vez.
Foto : Wikipedia, GNU,FDL
Las primeras máquinas de Watt tenían un aspecto similar a la de esta imagen, que es muy familiar para los que han pasado varios años en la Escuela de Ingenieros Industriales de Madrid. Obsérvese que se mantiene todavía un poco el aspecto de la máquina de Newcommen con su cilindro vertical y su balancín. pero ahora éste se conecta a una biela que acciona un tremendo volante de inercia para mantener una velocidad de rotación constante.
Los trabajos de Watt llegaron en poco tiempo a producir una máquina accionada por vapor capaz de entregar una considerable potencia mecánica en cualquier lugar que se requiriese y en cualquier momento, sin más requisito que la aportación de carbón como combustible. Esto produjo una revolución tecnológica sin precedentes en la historia. Por primera vez, se podían producir, con un coste mucho menor, una inmensa cantidad de productos que anteriormente eran sólo producto de la artesanía. La aplicación por ejemplo a la industria textil, fue totalmente revolucionaria.
Inmediatamente se aplicó también al transporte, y surgieron los primeros barcos de vapor, accionados primero por ruedas de paletas, y enseguida por hélices. Era cuestión de tiempo que se aplicase al transporte terrestre, y se hizo basándose principalmente en aquellas viejas vagonetas que sacaban el mineral de las minas.
Pero antes de entrar de lleno en nuestro tema, analicemos con un poco más de detalle el funcionamiento de una máquina de vapor estática, como las utilizadas en la industria. Se trata ya de un modelo "moderno" con cilindro horizontal y distribuidor de corredera.
La imagen adjunta nos ilustrará sobre su sencillo pero eficiente funcionamiento.
Como vemos en la imagen, el vapor procedente de la caldera, por lo tanto a alta presión y temperatura (flecha roja) entra en la cámara del distribuidor, en donde se mueve la corredera, que es la pieza en forma de "C tumbada" que se mueve de izquierda a derecha. En su movimiento, esta pieza cubre y descubre alternativamente la entrada de los dos tubos en forma de S. Realmente, si nos fijamos en la corredera, su forma hace que en un extremo de su movimiento el tubo que comunica con el cilindro quede abierto a la cámara de admisión, por donde viene el vapor, pero cuando la corredera se mueve al otro extremo, lo que hace es comunicar el tubo con el interior de la propia corredera, y de ahí al cámara de escape situada debajo de la corredera. Cuando la entrada de uno estos tubos queda abierta a la cámara de admisión, el vapor entra por él hasta el cilindro. Esta entrada se produce cuando el pistón está cerca del extremo por el que entra el vapor, con lo cual, la presión del vapor empuja el pistón hacia el extremo opuesto, expandiéndose y realizando el trabajo útil. Al llegar al extremo opuesto el pistón, la corredera se ha movido, de forma que ahora el vapor comienza a entrar en la cara opuesta del pistón, que retrocede de nuevo. En este retroceso, el vapor que llenaba el cilindro (expandido, pero todavía en estado gaseoso y caliente) es empujado al tubo por el que entró, pero ahora la situación de la corredera hace que este vapor se dirija a la cámara de escape desde donde sale por una lumbrera (representada aquí por un circulito) hacia la atmósfera (Flecha azul). Ese circulito que vemos en la cámara de escape es la boca del tubo vertical por el que sale el vapor a la atmósfera,(flecha azul)
Tenemos aquí ya representados los elementos fundamentales de toda maquina de vapor: El cilindro con su pistón que se mueve alternativamente de derecha a izquierda y la válvula de distribución, en este caso de corredera, que dirige tanto el vapor de la caldera hacia el cilindro, como el vapor expandido hacia el escape.
También vemos como el pistón tiene un vástago que se articula con una gruesa biela, la cual mediante una manivela produce el movimiento giratorio utilizable. Una excéntrica mueve una segunda biela mucho más ligera, que se utiliza para mover la corredera. Es evidente que el movimiento de la corredera y el del pistón no son sincronizados, sino que la corredera está adelantada aproximadamente un cuarto de giro respecto del movimiento del pistón, Esto es así para que las lumbreras de admisión estén ya completamente abiertas cuando el pistón está todavía llegando al extremo de su carrera de manera que el vapor empiece a entrar en el cilindro antes de que este empiece a retroceder.
En este dibujo hay dos elementos adicionales: un gran volante de inercia encargado de regular el giro de la máquina, ya que el impulso se produce a golpes (dos golpes por vuelta) y un regulador centrifugo, encargado de mantener constante la velocidad de la máquina, ya que actúa mediante una varilla sobre la válvula de admisión. Ambos elementos, volante y regulador son también claramente visibles en la imagen de la máquina de la Escuela de Industriales. Estos dos elementos son típicos de máquinas usadas para accionar maquinaria estática, como pueden ser los antes mencionados telares, pero no los encontraremos en el ferrocarril.
El tipo de válvula de distribución aquí representado (llamado de corredera o "de capilla") no es ni mucho menos el único utilizado, y de hecho en locomotoras es poco utilizado, pero es muy claro su funcionamiento, por lo que está bien que lo hayamos visto primero. Otra simplificación es que ordinariamente la válvula no se mueve por un sistema tan simple como el representado aquí. Éste es sólo valido para maquinas que funcionan siempre en el mismo sentido, a la misma velocidad y con la misma potencia, lo cual desde luego no es cierto en una locomotora.
La patente de la máquina de vapor de Watt es de 1784, de manera que estábamos ya aproximándonos al siglo XIX. Por cierto que James Wat fue un científico de reconocido prestigio en muchos campos, incluyendo la óptica y la ingeniería civil. La unidad de potencia, el Watio, lleva ese nombre en su honor. Sin embargo se le acusa también de aferrarse a sus patentes, impidiendo que otros investigadores desarrollaran variantes de su máquina con perfeccionamientos, por ejemplo el vapor a alta presión, de modo que de algún modo retrasó el progreso de su invento.
Aplicada la máquina a la industria y al trasporte por mar, quedaba el reto del transporte terrestre. Aunque hubo algunos intentos de "motorizar" vehículos "de carretera", la misma ausencia de verdaderas carreteras hacía poco viable este camino. La inspiración de las vagonetas de mina arrastrados por caballerías, llevó al desarrollo de un "caballo mecánico" para sustituir a los utilizados para arrastrar las vagonetas por sus vías.
Parece que uno de los primeros intentos fue el de Richard Trevithick en 1804. El aspecto de su máquina es bastante primitivo, tal como vemos en la imagen, y está claramente inspirado en el diseño de las máquinas estáticas. La de Trevithick no fue ni mucho menos la única máquina que intentó moverse sobre raíles impulsada por vapor. En seguida hubo varios intentos de resultados más o menos exitosos, pero los historiadores están de acuerdo en que la precursora de todas las locomotoras de vapor posteriores fue la Rocket, desarrollada en Newcastle por Robert Stephenson en 1829 .
Foto: Chis Howells, GNU,FDL
¿Qué tenía esa locomotora para ser considerada la primera locomotora moderna? Su aspecto, como vemos en la imagen adjunta que corresponde a una reconstrucción de 1979, es todavía bastante primitivo, y parece muy alejado de la clásica imagen de las locomotoras de vapor. Sin embargo hay una serie de detalles que esta máquina usó por primera vez y que desde entonces han sido de utilización general. El primero de ellos es la caldera de haz tubular, que permite una utilización óptima del calor producido por la combustión del carbón.. Otro de esos detalles es la utilización del vapor de escape para dirigirlo a la chimenea y forzar así el tiro de la caldera.. También vemos la utilización de dos cilindros casi horizontales, cuyas bielas atacan directamente a manivelas montadas en las ruedas motrices.
Esta pequeña locomotora, y sus vagones que podemos entrever detrás y que nos recuerdan indefectiblemente las cajas de los coches de caballos, permitieron pensar en organizar servicios de transporte de viajeros y mercancías. En una autentica fiebre constructora, todos los países tecnológicamente avanzados se lanzaron a tender miles de kilómetros de vía, y el ferrocarril paso a ser parte imprescindible de la civilización moderna. No solo eso, pasó a ser el símbolo del progreso, de manera que para los habitantes de los primeros años del siglo XX, el ferrocarril tenía la misma imagen de modernidad y progreso tecnológico que hoy puede tener para nosotros una nave espacial de las que orbitan la tierra.
El exito fué verdaderamente explosivo: Las grandes ciudades construyeron monumentales estaciones en el centro mismo de las poblaciones como modernas catedrales con todo los lujos arquitectónicos. Los mejores ingenieros diseñaron puentes y viaductos para salvar ríos y valles. Las montañas se perforaron con túneles aún a costa del sacrificio de muchas vidas.
El ferrocarril cambió el modo de vida de la gente. Permitió viajar cómoda y rápidamente a cualquier parte, permitió acercar las materias primas a los centros de producción, permitió distribuir bienes y productos con rapidez y seguridad a cualquier lugar de la tierra. Algo que hasta entonces era impensable, y hoy lo vemos habitual e imprescindible.
Todo esto se lo debemos a la locomotora de vapor, que durante cien años fue la reina indiscutida del ferrocarril, hasta que la electricidad y el diesel acabaron con ella. Pero durante todos esos años, su diseño básico permaneció inalterado, prueba de la perfección de su diseño inicial, y sus perfeccionamientos fueron simplemente adaptaciones y refinamientos derivados de la propia evolución de la tecnología y de la adaptación a las diversas circunstancias de la explotación. En toda su historia el salto tecnológico más importante fue el pasar de vapor saturado a vapor recalentado. y en cuanto a los aspectos constructivos, dejando aparte experimentos más o menos exóticos y casi siempre fracasados, se mantuvo prácticamente la misma estructura, con el único cambio de técnica constructiva producido al pasar de la construcción por roblones a la construcción soldada.
LA LOCOMOTORA DE VAPOR - LA CALDERA
Veamos entonces con detalle como funcionaba una de estas "modernas" locomotoras, En primer lugar hay que distinguir en toda locomotora de vapor, entre la caldera, y el motor. La primera produce vapor a presión, y el segundo utiliza ese vapor para producir movimiento. La imagen siguiente es un esquema de la caldera
Imagen (C) 1942 RENFE Curso de maquinistas de locomotoras de vapor
Como vemos, la caldera se divide en tres partes, que de atrás hacia delante son "Caja de fuego", "Cuerpo cilíndrico" y "Caja de humos"
La caja de fuego es en su mayor parte un gran espacio vacío llamado "Hogar" en el cual se produce la combustión del carbón. Por la parte de la cabina, hay una puerta que el fogonero abre para echar paletadas de carbón.
Este carbón queda repartido sobre el emparrillado, que es una rejilla, sobre la cual el carbón arde. Debajo de este emparrillado hay una zona llamada cenicero que recoge la escoria que deja el carbón al arder.
La parte delantera del cenicero está cerrada por una rejilla a través de la cual entra el aire. Este aire aporta el oxigeno para la combustión del carbón.
Una bóveda de ladrillo refractario hace de escudo para que la llama de la combustión no incida directamente en la pared del hogar, lo que podría llegar a fundirla. Toda la caja de fuego tiene una doble pared y en el hueco que deja entre esa doble pared tenemos agua. Este agua recoge el calor que de otra forma se perdería irradiado al exterior, con lo cual la pared exterior de la caja de fuego está a una temperatura no demasiado alta. Entre ambas paredes hay una serie de pernos que mantienen la separación y la forma, y que en el grabado se denominan tirantes.
La imagen de la izquierda es una fotografía de una locomotora seccionada que existe en el Museo del Ferrocarril de Madrid, donde podemos ver en primer plano la caja de fuego. Todo lo pintado en amarillo es el hogar, y se aprecia casi en el borde inferior la bóveda refractaria. Vemos también la doble pared pintad de azul en su interior, lo cual indica que todo ese hueco estaría lleno de agua. También vemos muy bien los tirantes que unen esa doble pared.
Por la parte de delante, el hogar termina en la llamada placa tubular. Esta placa es un tabique con una serie de agujeros hacia donde son aspirados el humo y los gases calientes producidos en la combustión. Cada uno de estos agujeros es la boca de uno de los tubos de haz tubular que está contenido en el cuerpo cilíndrico.
El cuerpo cilíndrico es la parte central de la caldera y es un gran espacio cilíndrico recorrido por multitud de tubos. Cada uno de estos tubos se ajusta en uno de los agujeros del tabique que lo separa del hogar, y en su otro extremo por un tabique análogo que lo separa de la caja de humos. Estos tubos están vacíos en su interior, pero están sumergidos en agua. Este agua llena por lo tanto todo el cuerpo cilíndrico casi en su totalidad. Cuando la caldera funciona, como decíamos, los gases calientes producidos en la combustión son aspirados a través de esos tubos, entrando desde el hogar, atravesando por el interior de los tubos todo el cuerpo cilíndrico, y saliendo a la caja de humos En su recorrido por los tubos ceden casi todo su calor a los tubos, y éstos a su vez, como están rodeados de agua, hacen que ésta se caliente. A la entrada de los tubos la temperatura de los gases puede ser de unos 1000º C y a la salida será del orden de 350º C. Con ello la temperatura del agua de la caldera sube y se comienza a producir vapor el cual aumenta la presión en el interior de la caldera. Cuando la presión alcanza un determinado valor, es posible ya extraer vapor para dirigirlo a los cilindros y poner en marcha la locomotora.
En la parte de arriba de la caldera se acumula el vapor. Precisamente en la zona más alta, existe una válvula denominada regulador que es la que acciona el maquinista par dar salida a un mayor o menor caudal de vapor hacia los cilindros. Esta válvula es complicada porque se trata de que sea muy precisa, muy segura, y que además no suponga un gran esfuerzo su manejo, y además hay que evitar a toda costa que pueda dejar pasar algo de agua, sino sólo vapor. La presencia de agua en los cilindros puede hacer que estos se rompan debido a la incompresibilidad del agua. Esta válvula va protegida por una cúpula metálica, denominada domo.
En las locomotoras antiguas, denominadas de vapor saturado, el vapor extraído de la válvula del regulador era conducido directamente a los cilindros. Sin embargo uno de los perfeccionamientos de la locomotora, seguramente el más importante en toda su historia, fue la introducción del vapor recalentado. La teoría del sistema dice que al extraer vapor de la caldera donde hay al mismo tiempo agua y vapor, las condiciones de presión y temperatura de este vapor deben ser tales que correspondan a unas condiciones posibles tanto para agua liquida como para vapor, y eso quiere decir que dada una presión determinada, la que exista en la caldera, la temperatura a la cual se extrae el vapor tiene un valor preciso. Sin embargo una vez que tenemos extraído ese vapor de la caldera podemos calentarlo todavía más, y ese calor que aportemos será un incremento de energía que tendremos disponible en los cilindros. Dicho más técnicamente, el rendimiento de una máquina térmica aumenta cuanto mayor es la diferencia entre el foco caliente y el foco frío, por lo que aumentar la temperatura del vapor incrementa el rendimiento. Además el vapor recalentado es mas seguro, ya que con vapor saturado, el más mínimo enfriamiento puede producir una condensación de agua líquida, con el peligro ya apuntado. Por contra el vapor recalentado podría enfriarse ligeramente sin producir condensado. En la práctica el recalentado incrementa la temperatura del vapor entre 100 y 150º C y con esto se consigue reducir el consumo de vapor entre un 20 y un 30 %
La forma práctica de hacer este recalentamiento consiste en recoger el vapor extraído desde el regulador en una "caja del recalentador". Desde esta "caja" salen una serie de tubos finos que hacen un recorrido cerrado de ida y vuelta entrando en uno de los tubos del cuerpo cilíndrico.
Por eso, en los dibujos y fotografías vemos que los tubos del cuerpo cilíndrico son de dos tamaños. Los de pequeño diámetro, situados normalmente en la parte baja son simplemente un tubo vacío para el paso de los gases calientes. Sin embargo, los tubos más gruesos, aparte de esa función, contienen en su interior una horquilla de un tubo más fino por la que circula el vapor que queremos recalentar. El vapor así recalentado en estos pequeños tubos vuelve a la zona del recalentador donde tenemos ahora vapor a la misma presión pero a una mayor temperatura.
En la imagen anterior podemos ver arriba en el centro la válvula del regulador situada en el domo. De aquí parte un tubo grueso pintado de rojo que conduce el vapor saturado hacia la parte delantera, hasta la "caja del recalentador", pintada de blanco.. Por debajo los tubos finos, pintados de rojo que se doblan hacia atrás para entrar en los tubos gruesos del cuerpo cilíndrico, y después volver al recalentador. Del recalentador vemos surgir también un tubo grueso, que en parte ha sido seccionado, y que es el que lleva el vapor ya recalentado a los cilindros. En la imagen de la iderecha se ve mejor este tubo
Esta imagen de la derecha es por supuesto de la caja de humos, que como decíamos es donde desembocan los gases calientes después de atravesar todos los tubos del cuerpo cilíndrico. Como ya hemos dicho no solo desembocan aquí, sino que son aspirados hacia aquí, lo cual produce un tiro forzado que no solo hace que los gases atraviesen los tubos de una forma eficiente sino que además produce una corriente de aire forzado que mantiene intensamente la combustión.
Como es sabido la combustión del carbón es un reacción química entre el carbono presente en el mineral de carbón y el oxigeno presente en el aire. Si nos limitamos a encender carbón y dejamos que arda, el oxigeno del aire llega en cantidad insuficiente y la combustión es lenta y a temperatura no muy alta. Sin embargo si utilizamos un dispositivo que insufle una corriente de aire sobre el carbón, el aporte de oxigeno es mucho mayor, la reacción se acelera y la combustión es mas completa y eficiente y se alcanzan temperaturas superiores.
Desde tiempo inmemorial se conocía este efecto, y por ejemplo en las fraguas se empleaban fuelles o ventiladores para insuflar aire y alcanzar las temperaturas deseadas. Otra forma de producir una corriente de aire es mediante una chimenea suficientemente alta. La chimenea se llena de gases calientes y por tanto mas ligeros que el aire exterior que está más frío. Por lo tanto en la base de la chimenea, donde está el hogar se forma una depresión debido a la ligereza de esta columna de gases calientes, y en consecuencia una corriente de aire que alimenta la combustión. Es lo que llamamos el “tiro” de una chimenea. Claro que para un hogar de una caldera del tamaño del que estamos hablando, se necesita una chimenea de unas decenas de metros. Por eso, cuando se empezaron a usar las máquinas estáticas de vapor, el paisaje industrial se pobló de altas chimeneas.
Sin embargo una locomotora no puede tener una chimenea alta porque tiene que pasar bajo puentes y túneles, así que había que encontrar otro sistema de forzar el tiro, y esa forma es la que Stephenson incorporó en la Rocket.: utilizar el vapor del escape de los cilindros para dirigirlo al exterior a través de la chimenea, y así arrastrar los gases de combustión.
En la última imagen vemos los dos dispositivos que producen este efecto, y que se llaman precisamente “escapes”. Esta locomotora tiene dos, aunque la mayoría sólo tienen uno. Son los dos dispositivos de forma más o menos cilíndrica pintados de color rojo en el centro de la imagen. El vapor procedente de los cilindros, entra por la parte inferior, y es forzado hacia arriba por unas toberas, de modo que sale en forma de chorros a alta velocidad por la chimenea. Estos chorros producen una depresión en las camisas que rodean las toberas debido al efecto Venturi. Como consecuencia de esta depresión, se hace un vacío parcial en la caja de humos que succiona los gases de combustión. Estos gases, se expulsan por la chimenea arrastrados por el vapor y mezclándose con él.
Con esto hemos terminado nuestro análisis de la caldera. El vapor producido por ésta, sale por el grueso tubo hacia el motor. Realmente hay al menos dos tubos, uno a cada lado, ya que esta locomotora tiene dos cilindros.
LA LOCOMOTORA DE VAPOR - EL MOTOR
Como vimos anteriormente, este vapor debe llegar a la válvula de distribución que le enviará alternativamente a las dos caras del pistón del cilindro. El movimiento del pistón se transmite mediante una biela a las ruedas. En resumen el esquema ya visto de la máquina estática de vapor. Sin embargo aquí complicamos un poco más las cosas: De entrada pretendemos que la locomotora pueda moverse hacia delante y hacia atrás, por lo que el movimiento de la válvula de distribución no puede estar rígidamente ligado al movimiento de las bielas, ya que la válvula debe enviar vapor justo al lado contrario del pistón cuando marcha hacia atrás que cuando marcha hacia delante. La forma de conseguir esto es mediante un sistema de piezas móviles que en su conjunto se denominan distribución. Hay varios sistemas de distribución, pero en general son bastante semejantes. El más conocido lleva el nombre de su inventor: Walschaert
La imagen animada anterior representa una distribución Walschaert en funcionamiento. A la derecha se puede ver el cilindro con su pistón moviéndose por impulso de la expansión del vapor en su interior. El vapor comprimido se muestra en rojo y el vapor expandido se muestra en azul.
Podemos ver como el vástago del pistón se articula con la biela (gris) que se une a la muñequiña de la rueda central. produciendo el movimiento. Una barra de acoplamiento (blanca) une las tres ruedas para que el movimiento se transmita a las otras dos ruedas.
Encima del cilindro podemos ver la válvula de distribución, en este caso de tipo cilíndrico El funcionamiento es muy similar al de "capilla" que ye hemos visto anteriormente.
Pero esto no es todo. Aunque la imagen sólo presenta el movimiento en las posiciones extremas hacia delante y hacia detrás son posibles todas las posiciones intermedias. Las posiciones intermedias provocan que el corte de la admisión de vapor hacia el cilindro se produzca cada vez más pronto, y por lo tanto un menor consumo de vapor, y como consecuencia una marcha más económica que puede utilizarse cuando no sea necesario obtener toda la potencia de la locomotora.
Podemos asimilar este efecto al cambio de marcha de un automóvil. Cuando se necesita un esfuerzo importante como al arrancar o subir una pendiente, se utiliza una marcha corta que permite obtener el máximo esfuerzo en las ruedas. En cambio en un llano, es posible cambiar a una marcha más larga que permite mantener una velocidad alta sin forzar el motor a un régimen excesivo. Sin embargo hay que tomar esta comparación con cuidado, ya que el comportamiento de una locomotora difiere mucho del de un automóvil. De entrada no existe un mecanismo similar a una caja de cambios, de modo que en la locomotora el giro las ruedas corresponde exactamente al movimiento del pistón: por cada carrera de ida y vuelta del pistón hay exactamente un giro completo de las ruedas motrices. Por lo tanto, para ir más o menos deprisa lo que hay que hacer es aumentar o disminuir la cantidad de vapor que llega a los cilindros, y tratar de ajustar el corte de vapor a la marcha más económica, teniendo en cuenta en cada caso la carga arrastrada, la velocidad del tren y la pendiente de la vía.
Otra diferencia importante entre el movimiento de un tren y el de un automóvil es la adherencia al suelo. Un vehículo con ruedas de goma tiene un agarre al terreno muy superior al de una locomotora con sus ruedas de hierro sobre carriles de hierro. Normalmente se toma como valor medio del coeficiente de adherencia el valor 0,2, lo que quiere decir que una locomotora de por ejemplo 60 toneladas (de "peso adherente", ya veremos este concepto) puede realizar un esfuerzo de tracción de 60 x 0,2 = 12 toneladas. Esta es la máxima fuerza que puede realizar la locomotora, y si se pretende pasar de ese punto, las ruedas patinarán.
Este pequeño coeficiente de adherencia (menor incluso que el de unas ruedas de goma sobre asfalto liso mojado) hacen que la locomotora tenga siempre una tendencia a patinar, en cuanto se pretende realizar un esfuerzo superior al que permite la adherencia.
El evitar este peligro de patinaje implica algunas normas de diseño y circulación, que son muy distintas de las que se aplican a los vehículos de carretera. La primera es evitar al máximo las pendientes, de modo que todas las líneas de ferrocarril se diseñan con pendientes mínimas. Un 2% de pendiente ya es mucho para un ferrocarril. Esta circunstancia tiene el efecto favorable de que así las locomotoras pueden trabajar a un régimen de carga muy constante y sin requerir un cambio de marchas, tal como ocurre con los vehículos de carretera. Otra consecuencia es que las aceleraciones y deceleraciones tienen que ser muy suaves, ya que si no, si pretendemos acelerar demasiado, la fuerza requerida para ello superará la admisible por la adherencia. Lo mismo ocurre con las deceleraciones. Si pretendemos frenar un tren demasiado rápidamente, lo que nos ocurrirá será que se bloquearán las ruedas y patinarán sobre los raíles. La conducción de un tren es por lo tanto mucho mas uniforme que la de un vehículo de carretera y se trata de aprovechar al máximo las inercias y anticipar todas las maniobras, de modo que nunca haya que realizar una acción brusca. Aún así en momentos especiales es posible que las ruedas tiendan a patinar, por lo que las locomotoras llevan unos dispositivos, llamados areneros, que, accionados por el maquinista dejan caer arena bajo las ruedas tractoras, con lo que se aumenta momentáneamente la adherencia.
DIFERENTES TIPOS DE LOCOMOTORA
Decíamos antes que a cada carrera de ida y vuelta del pistón dentro del cilindro, le corresponde siempre una vuelta completa de rueda, y por lo tanto la locomotora avanza sobre el carril, una distancia igual a la longitud de la circunferencia de la rueda. Suponiendo que la carrera completa del pistón se efectúa a un ritmo de 4 por segundo, o sea que las ruedas giran a 4 x 60 = 240 revoluciones por minuto y que rueda tiene un diámetro de 1,20 m y por lo tanto una circunferencia de 1,20 x 3.14 = 3,77 m, la locomotora se moverá a 3,77 x 240 = 904 metros por minuto , lo que equivale a unos 54 kilómetros por hora.
Esta velocidad se podía considerar altísima en los primeros tiempos del ferrocarril, pero pronto las exigencias del público y la competencia de las compañías exigió velocidades mayores. Para aumentar la velocidad, hay dos caminos: Por un lado aumentar la velocidad de translación del pistón, y por otro aumentar el diámetro de las ruedas. La verdad es que 240 vueltas por minuto (r.p.m) parece una velocidad muy alta, pero una locomotora lanzada a toda velocidad puede superar esa cifra, que por cierto es muy superior a la velocidad de rotación de cualquier máquina de vapor estática o naval. Aún así, por encima de las 400 r.p.m. empiezan a hacerse importantes una serie de problemas. Por un lado está el equilibrio de masas: debido a la presencia de muchos elementos con movimiento alternativo como los pistones, las bielas, las crucetas, las barras de acoplamiento etc. Siempre se trató de equilibrar lo más perfectamente posible estas masas, y de ahí los clásicos contrapesos que vemos en las llantas de las ruedas, pero para muy altas velocidades, el más mínimo desequilibrio provoca importantes esfuerzos alternativos que provocan la rotura de las piezas por el fenómeno de la fatiga. Por otro lado, al disminuir el tiempo de apertura y cierre delas válvulas se presentan fenómenos de laminación en el vapor que empeoran el rendimiento termodinámico de la máquina. En resumen, por encima de unas 400 r.p.m el rendimiento decae rápidamente y la máquina no puede alcanzar mayores velocidades.
Foto: (c) 2006. Jürgen RoBkamp. Creative Commons
La otra alternativa es aumentar el diámetro de las ruedas. En las mismas condiciones anteriores, si las ruedas fuesen de 2 m de diámetro, la velocidad sería de 90 km/hora. Esta es la razón de que las locomotoras destinadas a trenes rápidos de pasajeros, tuviesen ruedas muy grandes, con diámetros del orden de 1,80 o 2 metros. En la imagen de arriba vemos la BR 05 001 de la compañia DRG, a la que el 11 de Mayo de 1936 se le cronometraron 200,4 Km/hora. El rodaje de esta locomotora, de tipo 2'C2' tenía las ruedas principales de 2,3 m de diámetro. Esto quiere decir que en el mometo de alcanzar esa velocidad las ruedas giraban a 461 r.p.m. No se reconoce normalmente esta velocidad como el record mundial de velocidad para una locomotora de vapor, ya que una locomotora inglesa, La Mallard número 4468 de la compañia LNER, también carenada, rodaje 2'C1 y ruedas de 2,03 m de diámetro, fué cronometrada el 4 de julio de 1938 a 201,1 km/h. Aunque hay una cierta controversia en este asunto, porque la Mallard alcanzo esa velocidad cuesta abajo y además se averió, mientras que la alemana lo hizo en terreno llano y resultó "ilesa".
Foto: Wikipedia, GNU FDL
Las ruedas grandes son muy buenas para correr, pero tienen algunos inconvenientes: Los ciclistas saben el tremendo esfuerzo que significa mover una bicicleta con el plato grande y el piñón pequeño en cuanto hay la más mínima cuesta. El mayor inconveniente sin embargo está en que al ser muy grades no pueden estar muy juntas. El tener que separar los ejes de las ruedas lleva a hacer bastidores más largos, pero estos tienen el problema de su mala adaptación a las curvas.
Un tipo de locomotora muy utilizado para trenes de pasaje rápidos fue la que lleva tres ejes motores con grandes ruedas de alrededor de 2 m de diámetro, precedidos de un bogie de dos ejes y con un bissel debajo de la cabina, teniendo por tanto un esquema tipo 2'C1'. Este tipo de locomotora se denomina "Pacific". En la imagen siguiente vemos una de la más típicas Pacific europeas: la alemana BR01, con sus tres pares de ruedas de 2m de diámetro. La velocidad máxima es de 120 km/hora
Foto: Wikipedia, GNU FDL
En el extremo contrario, para los trenes de mercancías, donde la velocidad era menos importante, se utilizaron ruedas más pequeñas dispuestas en en cuatro o cinco ejes. Una locomotora típica para tren de mercancías fue la alemana BR50 con rodaje 1'E que vemos reproducida más abajo. Las ruedas mas pequeñas, de 1,40 metros, permiten disponer hasta 5 ejes tractores a lo largo del chasis sin que la longitud de éste sea excesiva y presente problemas en las curvas cerradas. Esta locomotora tiene una velocidad máxima de 80 Km/h.
El aumentar el número de ejes es importante, por la razón siguiente:
Al hablar del coeficiente de adherencia mencionábamos el peso adherente. Se llama así a la parte del peso de la locomotora que recae sobre los ejes motores. La razón es que esta parte del peso es la que presiona las ruedas motrices contra la vía, y por lo tanto la que permite transmitir el esfuerzo tractor. Si una locomotora, como es el caso de casi todas ellas, tiene otros ejes adicionales no acoplados al motor, el peso que éstos soportan no contribuye a la tracción y por lo tanto no entra a formar parte del peso adherente. Por otra parte, las vías se construyen con la capacidad de resistir una determinada carga por cada eje que soportan. Un valor normal son 20 toneladas por eje. Una locomotora como la BR01, que tiene un peso de 108 toneladas y un peso adherente de 59 toneladas (lo que quiere decir que las otras 49 toneladas descansan sobre los ejes no tractores), podrá ejercer una tracción de 59 x 0,2 = 11,8 toneladas. Nótese que el peso adherente de 59 toneladas recae sobre los tres ejes tractores, con lo que cada uno se lleva casi 20 toneladas, que como decíamos es aproximadamente el límite.
Por el contrario, la locomotora de mercancías BR 50 tiene un peso total de 87 toneladas y un peso adherente de 75 toneladas (así que el bissel delantero se lleva 12 toneladas del peso). Con este peso adherente esta locomotora produce un esfuerzo de tracción de 75 x 0,2= 15 toneladas, casi un cincuenta por ciento más que la BR 01 a pesar de ser un cincuenta por ciento más ligera. Sin embargo la carga por eje es sólo de 75 / 5 = 15 toneladas.
En resumen una locomotora para trenes rápidos está construida para funcionar a altas velocidades, pero su esfuerzo de tracción es relativamente bajo. Por el contrario, una locomotora para trenes de mercancías está construida para velocidades más bajas, pero su esfuerzo de tracción es mayor, por lo que podrá arrastrar trenes mucho más pesados, y también podrá superar pendientes más fuertes.
Curiosamente, en España el tipo Pacific 2'C1' fue relativamente poco utilizado. La reina de las líneas españolas fue el tipo "Mikado" 1'D1', por tanto con cuatro ejes motores. Parece ser que la orografía española, con sus muchas rampas y sinuosos trazados requería una tipo de locomotora que, aunque menos rápida, tenía más esfuerzo tractor para superar las pendientes del trazado. Hacia el final de la era del vapor, se construyeron en España unas cuantas locomotoras tipo "Confederacion" 2'D2' para las grandes líneas de trenes expreso (a la derecha)
La disposición normal de casi todas las locomotoras modernas consiste en situar un cilindro a cada lado del bastidor, y generalmente en la parte delantera, atacando con sus correspondientes bielas al segundo par de ruedas o en algunos casos al tercer par. Como el esfuerzo de tracción se produce dos veces por vuelta, lo que se hace es decalar 90 grados el ataque de las bielas a las ruedas de cada lado, para producir cuatro esfuerzos de tracción por vuelta. Sin embargo muchas locomotoras tienen un tercer cilindro y algunas incluso cuatro, sin que su aspecto exterior varíe demasiado. Cuando estos cilindros existen, se sitúan debajo de la caldera y atacan al primer eje o al segundo con sus correspondientes bielas. Como en el centro no hay ruedas, el eje adopta la forma de un cigüeñal. En estos casos el decalaje se hace a 60 o a 45 grados con lo cual los impulsos de tracción son más continuos. La máquina tiene así un movimiento más suave, y lo que es más importante, la tendencia a patinar en los arranques se reduce, ya que se pasa de cuatro golpes de esfuerzo fuertes por vuelta a seis u ocho más suaves.
Salvo esta suavidad del arranque y de la marcha, no hay mucha ventaja , en cuanto a rendimiento, en disponer dos cilindros grandes o tres o cuatro más pequeños, y la mayor complejidad mecánica de las máquinas de tres y cuatro cilindros normalmente no compensa su mayor coste de construcción y explotación. Como ejemplo clásico la BR 01 antes mencionada, es una locomotora de dos cilindros. Tuvo una hermana, la BR 02 de cuatro cilindros, y se construyeron ambas para ver cuál daba mejor resultado. No hay más que decir que de la BR 01 se construyeron 231, y de la BR 02 se construyeron 10, que al final acabaron convertidas a BR 01.
PERFECCIONAMIENTOS
Otro caso distinto es el de las locomotoras "Compound" Una locomotora compound tiene normalmente cuatro cilindros, pero su funcionamiento se basa en que el vapor primero se expande parcialmente en un primer par de cilindros, pero luego, en lugar de ir al escape, el vapor termina su expansión en un segundo par de cilindros, que por eso se llaman respectivamente de alta presión y de baja presión. Estudiando termodinámicamente el ciclo compound se demuestra que su rendimiento teórico es mayor. La figura animada presenta un esquema del funcionamiento de una máquina de vapor de triple expansión, que es un tipo muy utilizado en los barcos. Obsérvese como el vapor va expandiéndose en sucesivos cilindros, que por eso son cada vez mayores, hasta ser expulsado. En las locomotoras lo normal es que la expansión se haga sólo en dos etapas.
De nuevo estamos ante el problema de si el beneficio obtenido por el mayor rendimiento de una locomotora compound compensa el mayor coste de mantenimiento debido a su complejidad mecánica. En general, aunque hubo muchas locomotoras de este tipo, quedó claro que la sencillez de la locomotora de expansión simple compensaba cualquier posible beneficio que el motor compound pudiese aportar. La prueba está en que casi todas las grandes locomotoras de la última generación eran simples bicilíndricas de simple expansión.
Ahora bien, esta regla tiene una excepción: si nos vemos obligados por algún motivo a tener cuatro cilindros en una locomotora, seguramente es más rentable hacer que dos de ellos actúen como cilindros de alta, y los otros dos como cilindros de baja presión de un sistema compound.
Hay un diseño que obliga a tener cuatro cilindros en una locomotora, y es cuando tenemos que hacer una locomotora articulada. Como ya hemos visto, al aumentar el número de ejes, aunque las ruedas sean pequeñas, llega un momento en que una locomotora rígida tiene problemas para adaptarse a las curvas. La solución es hacer una locomotora articulada que lleva unos ejes motores en el bastidor fijo y otros ejes motores en un carretón articulado. A este tipo de locomotora articulada se le llama Locomotora Mallet, en honor a su inventor,
Foto: (c) R. Kallmünzer, colección Scheingraber.
Un ejemplo de este tipo de locomotoras es la BR 96, que como vemos en la imagen cuenta con ocho ejes tractores distribuidos en dos grupos. El grupo delantero, que como decíamos puede girar ligeramente alrededor de un eje vertical lleva los dos cilindros de baja presión y el grupo trasero, fijo al bastidor lleva los dos cilindros de alta.
Esta locomotora, aunque tuvo una utilización limitada fue todo un éxito, El pequeño diámetro (1,2 m) de sus 16 ruedas motrices permitía sólo una velocidad de 50 km/hora, pero tenía una fuerza de tracción de 24 toneladas lo que le permitía superar fuertes pendientes en trazados sinuosos remolcando pesados trenes.
Ya que hemos hablado del tema, podemos mencionar aquí el papel de esos ejes no motores con ruedas más pequeñas que montan la mayoría de las locomotoras. Como se ha visto, una de sus utilidades es descargar parte del peso, de manera que la carga sobre los ejes motores no sobrepase el valor máximo admisible por la vía, y ello sin alargar demasiado el bastidor de la locomotora, debido al pequeño diámetro de sus ruedas.
Por supuesto también son puntos de apoyo adicionales para que el bastidor trabaje con un reparto más uniforme del peso. Sin embargo su misión más importante es la de guiado de la locomotora: En efecto, cuando una locomotora entra en una curva, si no tiene más ruedas que las tractoras, el eje longitudinal de la locomotora se sitúa según una recta tangente a la vía, en el punto medio del tren de rodaje. Esto hace que el primer par de ruedas, ataque la curva con un ángulo que puede llegar a hacer que la locomotora descarrile.
Si situamos delante un eje libre articulado, este eje entra antes en la curva y por lo tanto provoca un giro mayor de la locomotora y un centro de giro más adelantado. Con esto el primer eje motor entra ya con un ángulo más pequeño respecto de la vía. Respecto del eje libre, al ser articulado, se sitúa automáticamente en línea con la vía, y por lo tanto todo ello disminuye el peligro de descarrilamiento. Este eje articulado se denomina Bissel.
Un efecto todavía mejor es cuando situamos un carretón con dos ejes. Este carretón llamado bogie, al tener cuatro ruedas se sitúa automáticamente en la tangente a la vía que pasa por su centro, y este centro, es precisamente el punto en que articula con el cuerpo de la locomotora, lo que hace que tire del bastidor de ésta hacia el interior de la curva, produciendo este efecto de guiado, que se pretende.
Así que normalmente encontramos bogies en la mayoría de las locomotoras que están previstas para circular a gran velocidad, como es el caso de las "Pacific" 2'C1'o las "Hudson" 2'C2' y normalmente encontramos bisseles en las locomotoras de mercancías, previstas para velocidades menores, como son los casos del tipo "Consolidation" 1'D , "Decapod" 1'E o "Santa Fe" 1'E1'.
Foto (c) 1958 Schmidtke, Deutsches Bundesarchiv, Creative Commons
Situar un bissel y todavía mucho más un bogie en la parte delantera de una locomotora no es mucho problema, pero si lo es situarlo detrás, porque entorpece la posibilidad de tener un hogar suficientemente grande. Por eso en muchas locomotoras, encontramos normalmente un bissel detrás cuando delante hay un bogie, o ningún eje adicional detrás aunque delante haya un bissel o incluso un bogie. Esto produce un sistema de rodadura asimétrico, de modo que la locomotora va mejor guiada cuando circula hacia delante que cuando circula hacia atrás. Por este motivo normalmente se limitaba la velocidad de las locomotoras cuando circulaban marcha atrás a un valor más bajo que cuando lo hacían hacia delante. Si se pretendía que la locomotora circulase igual de rápido en ambos sentidos, había que hacer un rodaje simétrico. Este es el caso de muchas locomotoras ténder, utilizadas en líneas donde no había la posibilidad de virar la locomotora al final del recorrido. Por ejemplo la BR 78 con rodaje 2'C2' que vemos a arriba.
LAS IMPERFECCIONES DE LA LOCOMOTORA DE VAPOR
En cuanto a la explotación, las locomotoras de vapor tienen un problema importante: Una locomotora de vapor "fría" tarda varias horas en poder ser puesta en servicio, ya que se tarda mucho tiempo en conseguir la tempera suficiente en la caldera. Esto no sólo es tiempo, sino que es combustible gastado sin ningún rendimiento, personal dedicado a esta operación, y sobre todo la falta de agilidad en la posibilidad de reponer una locomotora averiada.
Por otra parte, el diseño asimétrico de la locomotora implicaba en la mayoría de los casos que al llegar al final del trayecto había que dar la vuelta a las locomotoras para ponerlas otra vez en sentido de la marcha. Esto implica unas instalaciones complicadas como vemos en los antiguos depósitos de locomotoras, con sus puentes giratorios y sus rotondas. También las instalaciones para el almacenamiento y carga de carbón, para la recarga de agua, para la carga de arena, para la limpieza de escorias.... son complicadas y necesitan grandes espacios. Nada comparable a una locomotora eléctrica en la que basta subir el pantógrafo para tener la locomotora dispuesta para moverse, en un sentido o en otro.
Pero además, la locomotora de vapor tenía una serie de problemas derivados de su propia concepción.
De entrada el rendimiento energético de una locomotora de vapor es muy bajo. De la energía química desarrollada en la combustión, solo entre un 6 y 8 por ciento resulta utilizable en esfuerzo de tracción. Este bajo rendimiento tiene varias causas, algunas inherentes al propio principio de la locomotora como motor térmico de combustión externa, y otras debidas a imperfecciones técnicas, como pérdidas de calor, fugas de presión, resistencias mecánicas, etc.
Más concretamente: El rendimiento de la caldera, es decir, la parte de energía calorífica producida en la combustión que se aprovecha para generar vapor es del orden del 60 al 80%. El resto son pérdidas de calor, fundamentalmente en el escape de gases todavía calientes.
El rendimiento del motor, es decir la parte de energía. contenida en el vapor que se convierte en movimiento en los cilindros es del orden del 10 al 15 %. Este rendimiento, muy bajo, tiene un origen puramente termodinámico, y depende de las temperaturas y presiones de entrada y salida del vapor, de las perdidas por laminación, y de las características de ciclo térmico de la máquina de vapor. Se puede mejorar aumentando la temperatura del foco caliente, usando el vapor recalentado, disminuyendo la temperatura del foco frío, lo cual parece indicar la conveniencia de utilizar un condensador, y aumentando la presión del vapor. Este es uno de los puntos intrínsecamente malos de la máquina de vapor, ya que por ejemplo un motor diesel puede tener fácilmente un rendimiento térmico del orden del 25 %., por no hablar de los eléctricos que superan el 80 %
Por último está el rendimiento mecánico que es del orden del 50 al 90%.y proviene fundamentalmente de los rozamientos internos del mecanismo, (pistones, bielas, etc), de la resistencia a la rodadura, y de la resistencia aerodinámica. Los mejores rendimientos mecánicos corresponden a bajas velocidades y grandes esfuerzos de tracción, mientras que la velocidad alta con poco esfuerzo de tracción hace decaer este rendimiento hasta valores cercanos al 50%.
Uno de los problemas que parecen más claramente mejorables, es la enorme pérdida de calor que se produce por la chimenea. Como hemos visto, los gases de la combustión terminan su recorrido útil a una temperatura de unos 300 º y con esa temperatura son arrojados por la chimenea. Por otro lado el vapor de escape, todavía está caliente y mantiene una cierta presión residual, que igualmente se pierde por la chimenea. En varias ocasiones se realizaron intentos de aprovechar este calor residual. El más conocido de ellos es el diseño de Franco Crosti que consiste en dirigir estos gases desde la caja de humos a unos intercambiadores de calor, que calentaban el agua antes de introducirla en la caldera. La idea, naturalmente, es que si el agua entra ya bastante caliente en la caldera, se gastará menos combustible en calentarla hasta la temperatura de trabajo. Las locomotoras con el sistema Franco Crosti suelen ser fácilmente reconocibles porque sus chimeneas no están sobre la caja de humos, sino que se se sitúan mucho más atrás, ya que los gases de comustión recorren los precalentadores de agua antes de ser expulsados al exterior. El vapor de escape se lleva también hacia atrás para producir el soplado de los gases en la base de la chimenea
También suelen ser bastante visibles los cuerpos de estos precalentadores, como en la locomotora de la fotografía. (una italiana Gruppo 623). Véase también por debajo de los precalentadores, el tubo que lleva el vapor de escape hacia las chimeneas. De nuevo las complicaciones de mantenimiento dieron al traste con las posibles ventajas del sistem
Realmente, muchas locomotoras incorporaban un sistema de precalentamiento del agua que procedente del tender se introduce en la caldera.. Téngase presente que hay que introducir constantemente agua en la caldera para compensar la que se pierde en forma de vapor expulsada por la chimenea, y esto supone vencer la presión del interior. Las primeras locomotoras resolvían esto con una bomba movida con un pequeño motor de vapor. Sin embargo esta bomba y su motor son un aparato complicado y que además suponen un gasto adicional de vapor. El procedimiento se mejoró a partir de 1858 introduciendo los inyectores inventados por Giffard. Estos dispositivos reciben vapor a alta presión de la caldera, y lo hacen fluir a gran velocidad por una tobera dentro de una pequeña cámara que recibe el agua del ténder. Esto produce un efecto Venturi que aspira el agua y la impulsa a entrar en la caldera junto con el propio vapor utilizado. El sistema es muy eficiente porque no tiene piezas móviles, no se pierde vapor, y además el vapor cede parte de su calor al agua, que entra ya caliente (60 a 75º C) en la caldera. No es sin embargo un sistema que aumente el rendimiento como el Franco Crosti, porque el vapor utilizado y el calor aportado proceden de la propia caldera.
Otro intento con cierto éxito consistió en incorporar un condensador. La locomotora tradicional expulsa al aire una cantidad ingente de agua, en forma de vapor condensado, ( unas catorce toneladas de agua por hora en los momentos de máximo esfuerzo) que se pierde totalmente. Esto implica que al comenzar el viaje debe almacenar en el tender un gran cantidad de agua, normalmente entre 15 y 20 toneladas de agua que hay que mover como una carga más, para luego ir, literalmente, tirándola por el camino.
Esto tiene varios aspectos negativos: A día de hoy, semejante desperdicio de agua pondría los pelos de punta a cualquier ecologista, pero en la época del vapor este aspecto todavía no se consideraba relevante, mientras hubiese agua suficiente. El problema es que en zonas desérticas, encontrar tanta agua podía ser un problema grave. Por otra parte, cuando el agua del tender se agota (aproximadamente cada 100 km) hay que parar y rellenarlo, lo cual implica un tiempo y una pérdida de energía entre detener el tren y volverlo a poner en marcha. Por otra parte, las máquinas de vapor estáticas tienen casi siempre un condensador, donde el vapor se enfría y se condensa de nuevo en agua que se recoge y aprovecha. Esta condensación produce un vacío (como el de la máquina de Newcomen) que favorece la aspiración del vapor. Termodinámicamente, el foco frío es el condensador, y en él las condiciones de presión y temperatura bajas producen un ciclo térmico de mayor rendimiento.
Así que se intentó dotar a las locomotoras de un condensador. La forma práctica de hacerlo fue utilizar los llamados tenders de condensador. Aquí se conducía el vapor de escape y se hacía circular por condensadores de tubos refrigerados por aire. Normalmente se forzaba una corriente de aire mediante ventiladores para enfriar los tubos de los condensadores. El agua recuperada se volvía a almacenar en el tender. Esto permitió ahorrar del orden del 90% de agua, y así realizar recorridos más largos sin paradas intermedias y mejorar algo el rendimiento de la locomotora, y sobre todo no depender tanto de la disponibilidad de agua. Sin embargo, de nuevo, la complejidad del sistema hizo que solamente se aplicase en aquellos lugares donde el suministro de agua fuese un factor realmente crítico.
Bueno, hay otro factor que puede hacer aconsejable utilizar un condensador: Durante la Segunda Guerra Mundial, el ejército alemán utilizó abundantemente locomotoras, fundamentalmente del tipo 52 (las llamadas locomotoras de guerra) equipadas con tender de condensación. El motivo esta vez, es táctico, puesto que al dirigir el vapor hacia el condensador, se evitaba el clásico penacho de vapor saliendo de la chimenea, con lo cual la locomotora resultaba menos visible para la aviación enemiga.
Otro intento de mejorar el rendimiento de una locomotora, (en este caso válido para cualquier clase de vehículo) es mejorar su aerodinámica. La clásica locomotora de vapor tiene un diseño muy poco aerodinámico, por lo que una mejora en este aspecto supone siempre una ventaja. Las pérdidas por resistencia del viento crecen con el cuadrado de la velocidad, de manera que son poco significativas para velocidades por debajo de 80 km/hora pero si queremos sobrepasar estas velocidades y situarnos en el rango de 120 150 km /h la aerodinámica es fundamental.
Un dato interesante al considerar la resistencia aerodinámica, es que esta resistencia, depende sólo de la forma exterior, y de la velocidad. Quiere esto decir que si en un tren normal representa por ejemplo un 10% del esfuerzo requerido para mantener una determinada velocidad, si lo comparamos con un tren más ligero pero de la misma forma, el resto de esfuerzos habrán disminuido mas o menos proporcionalmente a la disminución de peso pero la resistencia aeródinámica seguirá siendo igual, y por lo tanto representará un porcentaje mucho mayor que el 10%. Así que teniendo en cuenta que la tendencia es a hacer trenes cada vez más ligeros y más rápidos, se deduce la importancia de darles una forma aerodinámica para reducir esta resistencia. Por eso los trenes modernos se hacen con formas tan aerodinámicas que parecen mas aviones que trenes.
Volviendo a nuestra línea histórica, el diseño de los vehículos ferroviarios había prescindido inicialmente de toda consideración aerodinámica, toda vez que las velocidades que se utilizaban hacían que este factor fuese absolutamente despreciable.
Sólo a partir de que empezaron a alcanzarse velocidades por encima de los 100 Km/h, los ingenieros se dieron cuenta de que un diseño con menor resistencia aerodinámica daría como resultado una mayor velocidad y un menor consumo. Así que comenzaron a aplicarse consideraciones de diseño para tener en cuenta esta circunstancia, y comenzaron a modificar locomotoras y vagones. En los vagones de pasajeros por ejemplo se eliminaron toda clase de entrantes que hasta entonces eran comunes en las zonas de acceso (seguramente reminiscencia de los antiguos "balconcillos"), se taparon los laterales con "faldones" para disminuir las turbulencias bajo el piso de los coches, y se dió una forma a los extremos que disminuía la separación entre coche y coche.
Respecto de las locomotoras se recurrió, aparte de añadir también faldones cubriendo las ruedas, a recubrirlas con una carcasa metálica de forma aerodinámica. Ya hemos visto la imagen de la BR 105 con su carenado rojo. Debajo de esa carena hay una locomotora normal, y de hecho estas locomotoras acabaron sus vidas circulando sin su cubierta aerodinámica, dado que ésta entorpecía los trabajos de mantenimiento.
Más adelante se construyeron locomotoras específicamente aerodinámicas como la famosa BR 61 del tren Henschel-Wegmann que vemos a la derecha de éstas líneas. Esta locomotora, que es realmente una locomotora-tender, tenía un rodaje tipo "Hudson" 2'C'2' y sus ruedas motrices, con un diámetro de 2,30 m le permitían circular cómodamente a 170 km/hora. . La entrega de la primera de estas locomotoras se produjo en mayo de 1935.
Este tren fue específicamente diseñado para competir con los nuevos trenes diesel, como el SVT "hamburgués volador" y se asignó al trayecto entre Berlín y Dresde. Aunque el resultado fue técnicamente bueno, el altísimo coste de producción le hicieron perder la batalla contra el diesel. Sólo se construyeron dos locomotoras de la serie BR 61.
Se puede decir que el vapor perdió en ese momento la batalla contra la electricidad y el diesel. A pesar de ello, muchas locomotoras de vapor han seguido funcionando durante muchos años más prestando servicio en líneas secundarias, y arrastrando pesados trenes de mercancías, mientras que el público se volcaba en los nuevos trenes ligeros y aerodinámicos como los VT11 alemanes o los Talgo españoles.
Sin embargo la claudicación del vapor no fué tan rápida y absoluta. Hubo algunos intentos de resirtirse al retiro y surgieron algunas ideas interesantes para intentar retrasar el final. Ya hemos dicho que el mayor problema es que para alcanzar grandes velocidades, las máquinas tenían que tener enormes ruedas. Estas enormes ruedas son un problema, porque tienen una inercia enorne con un efecto giróscópico muy importante y suponen un centro de gravedad muy alto, todo lo cual pone en compromiso la estabilidad en las curvas. Todo ello se puede evitar con ruedas más pequeñas pero entonces las velocidades de los elementos con movimientos alternativos, bielas, crucetas, pistones, etc. son muy altas y estos elementos son muy pesados, lo que produce grandes esfuerzos. Una solución a esto es la siguiente: En lugar de dos (o tres o cuatro) grandes cilindros con sus bielas, porqué no poner más cilindros, dos por cada eje, por ejemplo, y acoplar cada par de cilindros con un eje mediante bielas mucho más cortas. Al ser todas las piezas móviles mucho más pequeñas pueden moverse más rápidamente y podemos hacer una locomotora muy rápida con ruedas moderadamente grandes.
La DRG diseñó una locomotora experimental, derivada de la BR 19 (una Mikado 1'D1) a la que asignó la serie BR 19-10. Esta locomotora, de aspecto exterior semejante a la BR 05 que hemos visto antes, tenía cuatro "motores de vapor" acoplados cada uno de ellos a uno de sus ejes, y situados dos a un lado y dos al otro. Cada uno de estos motores era del tipo de dos cilindros en V, y por lo tanto todas las piezas móviles eran mucho más pequeñas y livianas que las clasicas. En 1945 se realizaron algunas pruebas y parece que se alcanzaron velocidades de más de 180 Km/h. Sin embargo tuvo un accidente y sufrió daños por la guerra, de modo que Alemania apenas le sacó partido. Al terminar la guerra, los americanos la llevaron a Estados Unidos para su estudio
Se desguazó en 1951, de modo que no hay fotografías modernas. Las dos fotografías aquí incluidas muestran su aspecto exterior, y una vista cercana del rodaje con los dos motores de un lado.
Este interés de los americanos no es casual. En los Estados Unidos también se realizaron experimentos para la supervivencia del vapor. Sin embargo allí, parece que apostaron más por utilizar turbinas de vapor. La turbina de vapor puede utilizarse básicamente de dos formas.
La primera es como motor, acoplándola directamente a las ruedas mediante engranajes o barras de acoplamiento. El primer caso lo tenemos en esta locomotora alemana desarrollada por la DRG en 1926 con el número de serie T18-1002, Una locomotora experimental de Maffei
Sin embargo, las turbinas utilizadas así tienen dos inconvenientes: El primero es que su velocidad de rotación es muy alta. por lo que hay que utilizar engranajes de reducción. El segundo es que una turbina sólo funciona en un sentido, por lo que hay que poner otra turbina auxiliar para la marcha atrás.
Así que los americanos fueron por otro camino:
La utilización lógica de una turbina, par obtener su mejor rendimiento, implica usarla a un régimen de revoluciones muy alto y muy constante y en un sólo sentido. Algo que choca frontalmente con el funcionamiento de una locomotora... salvo que... ¡hagamos algo como esto!:
El monstruo de la fotografía es un experimento de la Chesapeake and Ohio que en 1947 y 1948 puso en servicio tres locomotoras de tipo Turbina de vapor - electrica con rodaje 2-C1-2-C1-B . La idea es que la locomotora lleva una caldera alimentada por carbón que genera vapor a muy alta presión (310 psi) y la envía una turbina de vapor acoplada a un generador eléctrico. O sea lo mismo que hace hoy en día cualquier central térmica de carbón. La electricidad generada se utiliza para alimentar motores eléctricos que mueven las ruedas. No fué un caso único: otras empresas americanas intentaron experimentos parecidos, pero ninguno fue rentable. Es curioso que las habituales locomotoras diesel-eléctricas utilizan un principio parecido, con un motor diesel que mueve un generador eléctrico con el que se alimentan los motores eléctricos de las ruedas.
En España, no se realizaron "experimentos" de este tipo. La vedad es que el experimento español que dió origen al Talgo fue mucho más exitoso, pero en el vapor, nuestra mayor audacia fué la locomotora Confederación de la que ya hemos hablado, y que también dió un buen resultado.
Aquí, el final oficial de la era del vapor, tuvo lugar con toda solemnidad, el 23 de Junio de 1975 con el apagado de la Mikado 141F 2340 que había sido construida por la Maquinista Terrestre y Marítima en 1957. En la imagen vemos al entonces Príncipe D. Juan Carlos presidiendo este acto.
Foto: (c) Fco. Javier Larrondo
Afortunadamente este final comercial ha tenido una nostálgica prolongación. Varios museos e instituciones conservan unas cuantas locomotoras para que podamos todavía admirar sus majestuosas formas. Incluso unos pocas todavía son capaces de moverse y remolcar de vez en cuando algún tren turístico. Hoy, en la época de la Alta Velocidad, cuando un estilizado ICE es capaz de llevarnos de Barcelona a Madrid en menos tiempo que la primera locomotora española tardaba en llegar a Mataró, muchos aficionados rendimos un tributo de recuerdo y admiración, a todas aquellas resoplantes vaporosas que consiguieron, por primera vez en la historia del hombre, romper las barreras de la distancia. (Permítase la licencia: En realidad el recorrido Barcelona Mataró del primer ferrocarril español, se efectuaba en 35 minutos)