Electrificación

Antes de seguir hablando de sistemas de tracción siguiendo por la tracción eléctrica, tenemos que echar un vistazo a la infraestructura que nos permite usar la electricidad en los trenes. En esta entrada vamos a tratar sobre la electrificación. Es algo muy complejo, pero intentaré resumirlo todo lo que pueda y hacerlo entendible, porque algunos conceptos son muy "eléctricos".

Puede parecer que publico esta entrada porque la actualidad manda (hace unos días un chaval quedó gravemente herido en Madrid por tocar la catenaria), pero lo cierto es que esta entrada la tenía preparada desde hace un par de semanas.

Antes de nada, un poquito de historia. Lo que voy a contar está basado en la vía ancha, que es sobre la que más información podéis encontrar aquí.

La primera electrificación en España (en vía ancha, insisto) se hizo para un tramo de la línea Linares-Almería, concretamente entre Gérgal y Santa Fe en el año 1911 (o sea, hace 102 años) de la Compañía de los Caminos de Hierro del Sur de España, debido a que era el tramo con mayor pendiente de toda la red ferroviaria de España en aquel momento, y que por él transitaban todos los trenes cargados de minerales de las minas de la zona para embarcarlos en Almería. El consumo de carbón de las locomtoras era desorbitado, y las velocidades que alcanzaban eran irrisorias (del orden de unos vertiginosos ¡12 km/h!). Por ello se decidió implantar este sistema de tracción que ya operaba con éxito en otros países.

Se trataba de una línea eléctrica trifásica (tres fases, o tres cables) a 6.000 Voltios y 25 Hertzios. De los tres cables, dos iban en tendido aéreo por encima de las vías, y el tercero lo constituían los propios carriles. Para ello se construyeron 7 locomotoras eléctricas, que podían desarrollar, cada una, una potencia máxima de 440 CV (aunque la normal era de 160 CV) y como curiosidad, debido al sistema de control de los motores, sólo podían circular a 12,5 o a 25 km/h. Normalmente circularon siempre en doble tracción (dos locomotoras juntas) quedando la que hace el número impar de reserva. Con este novedoso sistema, los trenes que bajaban de las minas hacia Almería generaban electricidad gracias a que sus motores se convertían en generadores, y esa misma energía la aprovechaban los trenes vacíos que subían desde Almería a las minas. Pero como la energía no es gratis ni aparece de la nada, hubo que construir una central eléctrica en Santa Fe, que era un motor de vapor que movía un generador eléctrico.

Nave de motores de Pacífico del Metro de Madrid. Foto mía en abril de 2008.

En esta foto vemos unos enormes motores diesel que el Metro de Madrid instaló en una nave cerca de la estación de Pacífico que se usaban para generar electricidad para los trenes cuando el suministro normal fallaba, lo cual era muy habitual. Son motores marinos, y según cuentan los ancianos del barrio, cada vez que los arrancaban, vibraba el suelo de las calles colindantes. Hoy día están fuera de servicio y forman parte del Centro de Interpretación Andén 0 del Metro de Madrid.

En la siguiente dirección (http://www.patrimonioandaluz.com/al_27/al_27_electrificacionsantafe.htm) tenéis algo más de información y fotos de esta primera electrificación (en vía ancha) de España. Y como curiosidad, en el Museo del Ferrocarril de Madrid podéis ver un ejemplar de estas locomotoras, que fue restaurada con motivo del Centenario de la electrificación de la línea. Pero vamos, que si no queréis daros el paseo hasta el Museo, aquí va una fotito.

Locomotora Nº 3 del Gérgal-Santa Fe. Observad los dos captadores en el pantógrafo para las dos líneas aéreas. Foto mía en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles en enero de 2013. La foto es repetida de la entrada Sistemas de tracción de este blog.

Posteriormente a esta electrificación vinieron otras (siempre en líneas con perfiles duros), aunque se eligieron otros sistemas. Por ejemplo, la rampa de Pajares (Asturias) en 1925 y en Ripoll (Gerona) en 1928 se electrificó a 3.000 Voltios de tensión continua, mientras que en Alsasua (Navarra) en 1929 se electrificó a 1.500 Voltios también en continua. Estos sistemas tienen la ventaja de que sólo necesitan un cable y el retorno de la corriente eléctrica se hace a través de los carriles. También tienen la ventaja de que, con los medios de que se disponían entonces, la tensión continua permitía un control de la velocidad de los motores más sencillo. En la zona Norte de España, en las líneas que pertenecieron a la Compañía de Caminos del Hierro del Norte (más conocida como Norte), se electrificó casi todo a 1.500 Voltios (excepto Pajares), y en el resto se electrificó a 3.000 Voltios. A lo largo de los años, desde 1945 hasta 1984 se van cambiando todas las líneas de 1.500 a 3.000.

Poco a poco, las líneas electrificadas en España van aumentando hasta constituir casi el 50 % de la red en 1992, cuando se inauguró el AVE Madrid-Sevilla. A partir de ahí no se ha electrificado ninguna línea más, pero sí se han construido muchos kilómetros de vías (sobre todo de alta velocidad) que ya estaban electrificadas de origen. Por ejemplo, y según datos de la Declaración sobre la Red de ADIF y la antigua página web de Feve, la Red Ferroviaria de Interés General tiene casi 15.000 km de los cuales están electrificados, con diferentes sistemas, más de 8.000. Hoy día existen (en la red de ADIF, que desde el 1 de enero de 2013 incluye a Feve) líneas de 3.000 Voltios en continua (la red convencional), líneas de 25.000 Voltios en alterna a 50 Hertzios (la red de alta velocidad) y líneas de 1.500 Voltios en continua que es la  red de ancho métrico.

Bueno, vamos al lío. Realmente, ¿qué es la electrificación?

Como habréis podido adivinar, por lo que hemos hablado aquí atrás, se trata de mover trenes gracias a la electricidad. Para ello, lo primero es tener trenes eléctricos, evidentemente. Y lo segundo es llevar la electricidad a las vías, para que los trenes puedan captarla.

La primera electrificación del mundo, la realizó Werner von Siemens en Alemania. El problema de la transmisión de la energía al tren se solucionó montando un carril electrificado en el medio de la vía. La máquina captaba esa corriente con un patín instalado por debajo y así podía andar. Pero el problema del tercer carril en el centro de la vía estaba en qué hacer con el carril cuando llegaba un desvío. Así que la solución fue sacar el tercer carril de ahí y situarlo por fuera de la vía. Y aquí hubo dos soluciones: una "por arriba" y otra "por abajo".

La solución "por abajo". El tercer carril.

La solución de alimentar a los trenes por debajo consiste en instalar un carril electrificado en el suelo al lado de la vía. Los trenes van equipados con un patín o un frotador en el lateral a través del cual captan la electricidad para moverse. No son pocos los ferrocarriles que han optado por esta solución, como por ejemplo los metros de Berlín, Munich, no pocas líneas en Gran Bretaña, el metro de Nueva York... Curiosamente, ninguno en España. El grandísimo inconveniente de este sistema es que el carril electrificado está muy "a mano", y cualquier persona, animal o cosa que llegue a tocar el carril y el suelo a la vez, se queda instantáneamente pegado. No obstante, con las debidas medidas de seguridad, es un sistema perfectamente válido y seguro.

Unidad del metro de Mnich (U-Bahn). Foto mía en el Deutsches Museum de Munich en septiembre de 2010.

En la foto vemos una unidad del metro de Munich que se encuentra en el Deutsches Museum von Meisterwerken der Naturwissenschaften und Technik, el Museo Alemán de las Obras Maestras de la Ciencia y la Técnica en Munich (mucho más conocido como el Deutsches Museum a secas). Abajo a la derecha vemos un carril gris con un cartel blanco. Ese es el tercer carril. Y lo rojo que tiene justo delante es el captador de corriente.

La solución "por arriba". La Línea Aérea de Contacto

Es la solución más comunmente adoptada para electrificar ferrocarriles. Se trata de instalar por encima de la vía, a una altura determinada, uno o varios cables electrificados de los cuales los trenes tomarán la energía para poder moverse. Es la llamada "catenaria" o Línea Aérea de Contacto.

Su nombre proviene del latín catenarius que significa "propio de la cadena" y es el nombre que recibe la curva que describe una cadena (o una cuerda) cuando se la suspende de sus dos extremos. Si queréis ver exactamente lo que es, coged un cordón cualquiera, y lo sujetáis por las dos puntas sin tensarlo. Eso es una curva catenaria. A la catenaria ferroviaria se le llama así porque las primeras consistían en sólo un cable colgado de varios postes y debido a que la curva que formaban en cada vano era una curva catenaria. Se utilizó muy habitualmente en redes tranviarias o ferrocarriles económicos.

Antes de seguir, un pequeño paréntesis para explicar los diferentes sistemas de captación a través de la catenaria.

Tenemos, principalmente, dos sistemas. 

El primero, y sólamente utilizado por tranvías y trolebuses es el "trole". El trole no es más que un palo que tiene en el extremo una rueda metálica que rueda (valga la redundancia) por debajo del cable, tomando la corriente directamente de ahí. 

El Tramvía Blau de Barcelona en el Tibidabo. Obsérvese el trole, y aunque se vea muy pequeñita, la rueda por debajo del cable. Foto mía en febrero de 2012.

El segundo, mucho más complejo es el "pantógrafo". Un pantógrafo es un aparato compuesto por varios brazos con articulaciones y que en su parte superior tiene un frotador o una mesilla con unas pletinas metálicas o de grafito (sólo en alta velocidad) que se "frota" por debajo de la catenaria para hacer contacto.

Pantógrafo de un tren ICE de la DB alemana en el Museo del Ferrocarril de la DB de Nuremberg. Foto mía en septiembre de 2010.

Pantógrafo de tren AVE Serie 102 de Talgo. Obsérvense las pletinas de grafito de la mesilla. Foto mía en Las Matas (Madrid) en abril de 2004.

La catenaria tranviaria presenta el problema de que la curva que describe el cable es tanto más pronunciada cuanto más separados estén los postes de los que cuelga, y eso provoca que no se puedan conseguir grandes velocidades, ya que se produciría el despegue del pantógrafo o la salida del trole.

Por eso, se desarrolla la catenaria compuesta. Ésta está formada por una serie de cables (ya no es uno solo) que tienen diferentes funciones. La siguiente foto la he elegido porque se ven muy bien los diferentes cables de la catenaria, aunque el tren que sale no es eléctrico.

Talgo a su paso por Guimorcondo (Ávila). Foto mía en julio de 2004.

El cable que va más arriba, el que va haciendo las curvas, es el sustentador. Es el que soporta todo el peso del resto del conjunto. El cable recto que está por debajo es el hilo de contacto. Es contra el que roza el pantógrafo y que debe mantenerse siempre a la misma altura sobre el carril dentro de unos márgenes. Para ello, cuelga del sustentador a través de todos esos cablecitos verticales que unen el sustentador y el hilo de contacto. Son las péndolas.

Además, en el caso de la foto se trata de un tendido de catenaria con hilos funiculares entre las columnas. Este sistema era muy usado hace años en las estaciones donde había que poner varias líneas de contacto en paralelo. Poco a poco se han ido sustituyendo por pórticos que hacen la misma función y soportan más peso.

Tren Talgo a su paso por la estación de Pinar de las Rozas. Foto mía en julio de 2004.

En esta otra imagen se ven perfectamente los pórticos de los que hablaba antes.

Pero la catenaria tiene más cosas.

Tren Talgo a su paso por Las Matas. Foto mía en junio de 2004.

Aquí se ven los diferentes elementos de la catenaria. Ya reconocemos el sustentador, el hilo de contacto y las péndolas (casi no se ven, pero se adivinan). Las columnas o postes, aunque no he dicho qué son, creo que las veréis. Y luego, esos brazos que están sujetos a las columnas que es de donde cuelgan el sustentador y el hilo de contacto, son las ménsulas. Si os fijáis, de izquierda a derecha, la primera sujeta la catenaria por la derecha de la vía, la segunda lo hace por la izquierda y la tercera de nuevo por la derecha. Si viéramos la cuarta, veríamos que la sujeta por la izquierda otra vez, y así, sucesivamente.

La catenaria va siempre siguiendo a la vía, pero con un pequeño matiz. Si la vía es recta, la catenaria no lo es. La catenaria va haciendo un zig-zag de derecha a izquierda. Esto es para que el hilo de contacto no esté siempre tocando la misma zona de la mesilla del pantógrafo, ya que así se desgastaría por el rozamiento sólo esa zona, mientras que el resto estaría intacta. Al ir en zig-zag, la catenaria va desplazándose de un lado al otro de la mesilla. En este vídeo podéis verlo perfectamente (http://www.youtube.com/watch?v=3UzO7dAQzus). En las curvas, la catenaria traza la curva mediante una serie de tramos rectos (de columna a columna) y así es como conseguimos el mismo efecto.

Por cierto, por los chispazos que se ven en el vídeo cuando el tren pasa por los túneles, no os preocupéis, porque en alta velocidad es de lo más normal. La razón es que los trenes de alta velocidad tienen el pantógrafo a una altura fija, y los movimientos de la catenaria originan esos microdespegues que, a las tensiones a las que trabaja la catenaria (los 25.000 V), provocan esos arcos tan espectaculares.

Pero la catenaria, tal cual la he contado hasta ahora, tiene un problema importante. Al colgar el hilo de contacto del sustentador, hemos conseguido que el primero esté bastante paralelo a la vía y no haya grandes diferencias del altura, pero no hemos conseguido que esté perfectamente recto. Cuando hace calor, el cable se dilata (como todos los materiales) y entonces la longitud del cable aumenta. Y si la longitud de cable aumenta, la gravedad tira de él hacia abajo (bueno, eso siempre lo hace) y va a provocar que ese cable recto que teníamos describa una curva (una catenaria). Y cuando llegue el frío y el material se contraiga, se tensará el cable. Y si hace mucho frío y se contrae mucho, al final se romperá. Este sistema es el que llamamos "catenaria no compensada", y esto es porque no tenemos ningún sistema que compense las diferencias de temperatura. ¿Y qué problemas puede traer ésto? Los temidos enganchones. Un enganchón de catenaria es cuando el pantógrafo se enreda con la catenaria. Suele ocurrir cuando el hilo de contacto no está suficientemente tenso, o cuando se descuelga una péndola, o cuando el hilo se rompe y un trozo se queda colgando y el pantógrafo lo golpea. Con la catenaria no compensada no se puede circular a más de 120 km/h, aparte de lo que hemos dicho, porque, al pasar el tren, el pantógrafo hace fuerza contra la catenaria y se genera una onda que se transmite por los cables y hace que todo el conjunto se mueva. En este vídeo, podéis ver esa onda de la que hablo (http://www.youtube.com/watch?v=eSTZug3TiII).

Como con cada uno de los problemas que nos han ido surgiendo, llamamos a nuestros ingenieros y les decimos que es intolerable que ocurran estas cosas cuando nosotros queremos poder correr más con nuestros trenes. Así que les ponemos a trabajar en una catenaria que sea capaz de absorber esas diferencias de longitud provocadas por los cambios de temperatura. Y estos señores nos inventan la "catenaria compensada".

La catenaria compensada es, básicamente, lo mismo que la no compensada. Seguimos teniendo columnas, ménsulas, sustentador, hilo de contacto, péndolas, porticos, funiculares, aisladores... La única diferencia es que, en lugar de un solo tendido de principio a fin, vamos a dividir la catenaria en secciones más pequeñas y a ponerlas una tras otra. En cada una de las secciones montamos un conjunto de compensación.

El conjunto de compensación son una serie de elementos que hacen que, cuando la catenaria dilate por el calor, se mantenga la tensión mecánica en los cables, y que cuando la catenaria encoja, se mantenga la tensión mecánica en los cables. Es decir, que sea capaz de absorber las diferencias de longitud que aparecen en los cables con la temperatura. Para ello, nuestros ingenieros pensaron que sería buena idea (y de hecho lo es), colgar unos pesos enormes en ambos lados de la sección de catenaria, pasar el cable del que cuelgan esos pesos por una polea (por eso de cambiar la dirección del cable), y unir el extremo de ese cable a la catenaria. Así, los pesos estarán siempre tirando de la catenaria para que se mantenga la tensión. Si hace calor y los cables dilatan y se alargan, los pesos bajan. Si hace frío y los cables se contraen y se acortan, los pesos suben. Pero siempre tendremos la misma tensión mecánica en la sección de catenaria.

Tren auscultador ultrasónico de carril de ADIF pasando por la Bifurcación Fuencarral unos meses antes de instalar la vía de la LAV Madrid-Segovia-Valladolid. En las columnas que están a la altura del tren se pueden ver los contrapesos de compensación. Foto mía en abril de 2006.

Ese sistema se ha modificado y adaptado para mejorarlo y que ocupe menos espacio en zonas en las que no disponemos de todo el sitio del mundo, como en los túneles, pero al final, es lo mismo. No obstante, una de las modificaciones más importantes que se le han hecho a este sistema es cambiar los contrapesos y las poleas por unos muelles enormes que hacen la misma función.

Unidad de Cercanías serie 446 pasando por los talleres de Fuencarral. Igual que en la anterior, se pueden ver los conjuntos de compensación en las columnas. Foto mía en junio de 2006.

Aquí, os muestro un vídeo editado por Renfe en el año 1987 con una serie de pruebas que hicieron sobre la catenaria para circular a 200 km/h (http://www.youtube.com/watch?v=0IYxouSD8mo). Docuemnto excepcional, sin duda.

Una de las últimas novedades en catenaria es un invento del cual una de las patentes más importantes la tiene Metro de Madrid. Es la catenaria rígida. Se trata de una viga de aluminio (por eso de reducir el peso) colgada que lleva unido por debajo un hilo de contacto. Se suele utilizar en túneles porque reduce muchísimo el espacio necesario. La ventaja es que la altura del hilo de contacto no varía ni por frío ni por calor. La desventaja es que no permite velocidades muy elevadas.

Como no tengo fotos de la catenaria rígida, os muestro una pequeña curiosidad que me encontré de cómo se sujeta la catenaria en un túnel con el gálibo justito.

Sujeción de catenaria en la bóveda de un túnel de la línea Madrid-Irún en algún sitio entre Vitoria y San Sebastián. Foto mía en julio de 2005.

Subestaciones

Para alimentar a la catenaria (y por consiguiente a los trenes) debemos suministrar electricidad a esos cables. Inicialmente se hacía generando la electricidad cerca de las propias líneas ferroviarias, en centrales eléctricas propiedad del ferrocarril. Pero cuando se difundió más ampliamente la electricidad y se comenzó a desarrollar su uso en las ciudades y para la industria, se vio que era más efectivo que la energía de los trenes proviniera de la misma red eléctrica que el resto. Así que hubo que crear unas infraestructuras llamadas subestaciones para transformar esa electricidad a la forma en que el ferrocarril la necesitaba. Por ejemplo, en España se usa (mayoritariamente) tensión continua de 3.000 Voltios, pero la energía que circula por la red eléctrica es tensión alterna, con ciclo de 50 Hertzios. Y dependiendo de en qué punto de la red estemos, tendremos desde 350.000 hasta 220 Voltios.

Lo que vamos a hacer es coger una línea de media tensión (entre 50.000 y 15.000 Voltios), pasarla por unos transformadores que nos bajen esa tensión a en torno a 3.000 y luego la pasamos por unos rectificadores. Los rectificadores son, a grosso modo unos diodos (unos componentes electrónicos basados en semiconductores) que son capaces de convertir una corriente alterna en una corriente continua. No voy a entrar más en detalle en esto porque van a ser demasiadas alforjas para tan poco viaje. Pero bueno, el caso es que las subestaciones son las que nos convierten la energía eléctrica de la red a la que nosotros necesitamos para nuestro tren. Un símil interesante sería como decir que el cargador de vuestros teléfonos móviles es una subestación en miniatura. Convierte los 220 V en alterna en 5 V en continua para la batería del móvil.

Las subestaciones (como los cargadores de los móviles, o los transformadores que podemos tener por casa) tienen una capacidad limitada para alimentar trenes. Por eso se instalan subestaciones cada pocos kilómetros. Lógicamente, en zonas en las que hay muchos trenes se ponen más, y en zonas en las que hay menos trenes se ponen menos. Por ejemplo, alrededor de Madrid, en la línea de Madrid a Irún hay subestaciones en Chamartín, Pitis, El Tejar, Las Matas, Villalba y Las Zorreras (cada 6-10 km). Sin embargo, más adelante, entre Ávila y Medina del Campo hay subestaciones en Ávila, Velayos, Adanero, Ataquines y Medina del Campo (cada 20 km).


Sistemas de seguridad

Hay que tener en cuenta que estamos hablando de tensiones y corrientes muy altas. Una simple unidad de Cercanías puede consumir, en el momento del arranque, del orden de 300 ó 400 Amperios (o más incluso). Para que os hagáis una idea de la magnitud de esta medida, los diferenciales que tenéis en casa saltan con una derivación de sólo 30 mA (miliamperios), es decir, 10.000 veces menos. Y esos mismos 30 mA con los que salta el diferencial en casa, bien colocados en el cuerpo, pueden matar a una persona. Así que tenemos que tener unos sistemas de seguridad bastante importantes.

El principal sistema de seguridad que tenemos está en la subestación. En cuanto la subestación detecta que algo no está bien (desde una derivación de corriente a tierra, una sobretensión, una bajada de tensión, o incluso que no se puede comunicar con la subestación colateral, un exceso de demanda de corriente), abre sus disyuntores (los interruptores) e interrumpe el suministro. Luego comprueba hasta tres veces si sigue habiendo un problema, y si lo hay, se desconecta del todo hasta que el equipo de mantenimiento comprueba cuál era el error, el fallo o la avería y la repara.

Otro de los sistemas de seguridad está embarcado el en tren. Son los disyuntores extrarrápidos. Son como los de las subestaciones pero en pequeñito para que quepan dentro del tren. Y funcionan muy parecido. En cuanto detectan cualquier fallo, se abren y dejan el tren sin tensión. Pero éstos no se rearman solos, sino que tiene que ser el maquinista el que los rearme.

Además, de esto, tanto los trenes como las subestaciones, pasando por la catenaria, están dotados de pararrayos, por eso de que los rayos tienen una especial simpatía por caer en sitios puntiagudos (los postes de la catenaria) o en sitios donde hay electricidad (las subestaciones, los tendidos o los pantógrafos de los trenes). El funcionamiento de estos pararrayos es exactamente el mismo que el de los pararrayos normales de cualquier edificio. Además, los postes de catenaria están unidos entre sí mediante un "cable de guarda", que es un cable de acero que está físicamente conectado a todos los postes, de tal forma que si cae un rayo en un poste, la energía que se descarga se reparte por todos los postes cercanos minimizando los daños, aparte de igualar el potencial de todos los postes para intentar evitar que caigan los rayos justamente ahí.

Dicho esto, que sepáis que es más probable que caiga un rayo en cualquier árbol cerca de la vía antes que en la vía o en el tren.

Además, aunque no es un sistema de seguridad propiamente dicho, hay unas normas que tiene que seguir todo el personal acreditado para poder trabajar en la LAC (línea aérea de contacto) muy estrictas. Es importante saber que, a las tensiones tan altas a las que funcionan los trenes, os puede dar calambre incluso sin tocar la catenaria, ya que el arco voltaico puede saltar a distancia (para los técnicos, se rompe la rigidez dieléctrica del aire, éste se convierte en conductor, y la electricidad buscará el camino más corto a tierra, es decir, vuestro cuerpo). Por eso, la principal norma de seguridad es que no se puede trabajar con tensión en la catenaria. Además, el personal de mantenimiento tiene prohibido trabajar a menos de 80 cm de distancia de la catenaria. Y aparte de todo eso, para poder hacer un corte de tensión y trabajar con la debida seguridad, es absolutamente necesario establecer un protocolo para garantizar que no hay tensión en el cable y se puede trabajar. Entre otras cosas, ese protocolo dice que hay que enviar varios telefonemas para pedir el corte de tensión, que hay que comprobar que no hay tensión, que hay que "poner a tierra" la catenaria (poner un cable que una directamente la catenaria y los carriles) y que hay que señalizar que se ha cortado la tensión intencionadamente porque hay gente trabajando.

Para terminar, os voy a dejar un vídeo grabado en Alemania desde la cámara de un vehículo auscultador de catenaria. Ya me diréis qué os parece. http://www.youtube.com/watch?v=XgCPPeYmyKw

Y por hoy, creo que basta de hablar de voltios, pero antes, una bonita imagen de catenarias varias al atardecer en las proximidades de Zaragoza, en una calurosísima tarde de verano.

Estación de La Cartuja (Zaragoza) una tarde de julio de 2008. Foto mía.

Tipos de locomotoras de vapor

El otro día hablábamos de cuál es el funcionamiento de una máquina de vapor. En realidad hablamos de las más sencillas, las máquinas de vapor de simple expansión y bastidor rígido. Pero estas máquinas tienen un problema importante, y es que sólo aprovechan del orden de un 6 a un 8% de la energía que consumen para generar movimiento. El resto se pierde en forma de calor o rozamiento de las piezas.

Locomotoras de doble expansión (Compound)

Como decíamos, el rendimiento de las locomotoras de vapor de simple expansión, es bastante bajo. Se llaman de simple expansión porque el vapor sólo trabaja una vez, es decir, que metemos vapor comprimido en un cilindro, éste se expande moviendo el pistón, y luego sale a la atmósfera. Para mejorar el rendimiento, los ingenieros pusieron a trabajar sus mentes y se dieron cuenta de que el vapor podía expandirse en varias etapas, mejorando así el rendimiento global de la máquina. Por ello idearon las máquinas de doble expansión, es decir, que el mismo vapor va a trabajar más de una vez (en concreto, si son de doble expansión, trabajará dos veces, si son de triple, tres, y así sucesivamente). Por ello, en este tipo de máquinas tenemos, normalmente, cuatro cilindros: dos de alta presión y dos de baja.

Los cilindros de alta presión son los que reciben el vapor primero, tal cual sale de la caldera y los recalentadores. El vapor entra en el cilindro, se expande, mueve el pistón y, en lugar de salir hacia el escape, lo metemos a los cilindros de baja presión, que son más grandes (al expandirse, el vapor ocupa más espacio). Ahí, el vapor vuelve a expandirse, mueve el pistón del cilindro de baja, y ya de ahí lo sacamos al escape y, por lo tanto, a la atmósfera.

Animación de una máquina de vapor de triple expansión. Muy utilizada en motores marinos. Imagen extraída de http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Triple_expansion_engine_animation.gif, distribuida bajo varias licencias de libre distribución, creada por Emoscopes.

Teóricamente, el rendimiento de la máquina aumenta puesto que el vapor de escape aún está caliente y normalmente tiene una presión que aún permite aprovecharlo de nuevo. Y en la práctica, es así. Pero este sistema tiene el inconveniente de que mecánicamente es más complicado y, por tanto, más costoso de construir y, lo más importante, de mantener. Por lo que, al final, las ventajas no son tantas como la teoría nos dice. Por esta razón, en España no fueron muchas las locomotoras del sistema Compound (palabra inglesa que denomina este tipo de locomotoras y que significa "compuesto"), aunque en otros países, como Alemania o Gran Bretaña sí fueron más habituales.

Locomotoras articuladas

Uno de los principales problemas de las locomotoras rígidas es que el tamaño es limitado. Con una caldera más grande, en teoría, podríamos tener presiones más altas, más reserva de vapor, más generación de vapor y, por ende, más potencia. Y en parte, es cierto, aunque en realidad tenemos más consumo de combustible y más pérdidas de calor, por lo que llega un momento en que ya no es posible ganar más.

Pero hay casos en los que nos interesa una caldera grande y potente, por lo que nos hace falta una máquina más grande, con un bastidor aún más grande, largo y pesado. Y esas últimas dos magnitudes son las que nos van a limitar, en gran parte, el tamaño de una máquina.

Nuestros trenes tienen que circular por vías que no son rectas. Tienen curvas, y cuanto más grandes sean los accidentes geográficos que hay que sortear, más cerradas van a ser las curvas. Y aquí viene el primero de los problemas. Una locomotora rígida, cuanto más larga sea, más problemas va a tener para poder entrar en una curva cerrada. Por lo tanto, determinadas curvas de nuestra red ferroviaria van a imponer una limitación a la longitud de las máquinas. Es por ello que, nuestros ingenieros, se ponen a pensar, que para eso les pagamos, y se les ocurre que si las máquinas pudieran adaptarse a las curvas, no tendríamos, en teoría, limitación de longitud alguna. Es decir, que la máquina "se doble" al llegar a una curva cerrada. Digamos que es como si la máquina se comportara como si fueran varios vagones del propio tren.

Y así es como crean las locomotoras artículadas. Hubo, principalmente, dos tipos de máquinas articuladas.


Locomotoras Mallet

Las locomotoras Mallet (y en general todas las articuladas) son dos máquinas de vapor en una. Bueno, más bien, es una locomotora con dos motores de vapor, es decir, dos conjuntos de cilindros. En el caso de las Mallet, se trata de una locomotora, montada sobre un bastidor, que está apoyado en dos conjuntos de cilindros y ruedas, motrices y portadoras. Estos conjuntos no están fijos en el bastidor central, sino que tienen una cierta articulación. Digamos que es como si pusiéramos dos máquinas de vapor debajo de una misma caldera.

Por lo general, este tipo de máquinas son Compound, o sea, de doble expansión, donde en uno de los conjuntos de cilindros están los de alta y en el otro los de baja (con esta disposición se simplifica bastante la mecánica del sistema, porque los cilindros de alta y baja no están unidos mecánicamente).

Locomotora CP E205 de tipo Mallet y rodaje 1-2-3-0T, preservada y restaurada funcionalmente. Foto mía en el Museo Vasco del Ferrocarril, Azpeitia, en octubre de 2006.

Con esta disposición tan extraña de ruedas se consiguen dos cosas importantes. La primera es que rebajamos el peso por eje de la locomotora, porque tenemos muchas más ruedas entre las que repartir el peso total. Y por otro, podemos aumentar el esfuerzo de tracción transmitido al carril, o lo que es lo mismo, la capacidad de arrastre de la máquina, porque son muchas más las ruedas que van a transmitir la fuerza de la máquina al carril. En resumen, que tenemos una máquina más potente, pero sin aumentar exageradamente el tamaño.

Fueron inventadas por el suizo Anatole Mallet. En España (en vía ancha), sólo la Compañía del Ferrocarril Central de Aragón y el ferrocarril de Zafra a Huelva tuvieron máquinas de este tipo. En vía estrecha sí fueron más numerosas (Durango-Zumárraga, Trubia-Quirós, Madrid-Almorox, Minas y Ferrocarril de Utrillas, Sierra Menera, Madrid-Aragón, Compañía General de Ferrocarriles Catalanes y Puertollano-Peñaroya).


Locomotoras Garrat

Este tipo de articulación viene a ser muy parecido al anterior, pero con la diferencia de que sobre los bastidores extremos están situados dos ténders, y suspendido sobre ellos está el bastidor central con la caldera. Lógicamente, en el ténder más cercano a la cabina está el combustible, y en el otro, el agua.

Fueron inventadas por el inglés Herbert William Garrat. En España, en vía ancha, sólo el Central de Aragón compró este tipo de máquinas. Sin embargo, como en el caso anterior, en vía estrecha fueron más habituales (Catalanes, Ríotinto, Robla, Sierra Menera...).

Locomotora 282F-0421, de tipo Beyer-Garratt, más conocida como "Garrafeta" es trasladada por las locomotoras 8915 (289-015) y 2180 (321-080) del Museo del Ferrocarril desde Lérida a Madrid para hacerse cargo del Tren de la Fresa en la campaña primavera de 2008. Foto mía en algún lugar entre Guadalajara y Espinosa de Henares en abril de 2008.

Esta máquina está cedida a ARMF (Associació per a la Reconstrucció i Posta en Servei de Material Ferroviari Históric, Asociación para la Reconstrucción y Puesta en Servicio de Material Ferroviario Histórico) y regularmente remolca el Tren dels Llacs (Tren de los Lagos) entre Lérida y La Pobla de Segur. Se corresponde con la serie de Garrats para mercancías del Central de Aragón. La misma asociación tiene cedida también la 462F-0401, que era de las Garrats del Central de Aragón para viajeros. Ambas series fueron conocidas como "Garrafetas" las primeras, y "Garrats grandes" las segundas.


Aparte de experimentos con el rodaje de la máquina, también se hicieron unos cuantos con las calderas. Aquí, un ejemplo de ello.


Locomotoras Franco Crosti

Deben su nombre a los ingenieros italianos Attilio Franco y Piero Crosti. Son locomotoras normales, de bastidor rígido, pero con una diferencia en sus calderas. La chimenea de la caja de humos no está en la parte delantera de la caldera, sino más bien tirando hacia atrás. Y es que, en este tipo de máquinas, el calor residual de los gases de escape y del vapor ya utilizado (que pueden llegar a tener temperaturas de 300 º C) se utiliza para precalentar el agua de alimentación de la caldera. De esta forma, el agua que entra en la caldera ya está caliente y así se reducen las pérdidas de calor y presión cada vez que se inyecta agua en la caldera. Con este tipo de calderas, se conseguía inyectar agua a temperaturas de hasta 150 ºC (frente a los cerca de 100 ºC que se conseguían con otros sistemas), y se podía aumentar el rendimiento hasta un 18% aproximadamente.

En España sólo hubo una máquina equipada con caldera de este tipo. Se trata de la 140-2438 de Renfe, que sufrió esta modificación para probar este sistema, pero que no cuajó.

Locomotora 140-2438 de Renfe equipada con la caldera Franco Crosti. Foto extraída del blog Historias del tren de Juanjo Olaizola y reproducida aquí con su permiso.

Otra vista de la locomotora 140-2438 de Renfe equipada con la caldera Franco Crosti. Foto extraída del blog Historias del tren de Juanjo Olaizola y reproducida aquí con su permiso.

No están aquí, evidentemente, todos los tipos y todas las variantes de máquinas de vapor. Es un tema que daría (y ha dado) para llenar libros y libros. Así que, con este apunte, lo dejamos por aquí y pasamos a otros tipos de tracción.

¿Cómo funciona una locomotora de vapor?

Si no os parece mal, vamos a ir viendo poco a poco, cómo funcionan las locomotoras, automotores y unidades eléctricas, separado por el tipo de tracción. Y vamos a empezar, nada menos que con las locomotoras de vapor.

Partes de una máquina de vapor

Antes de meternos en materia, tenemos que saber en qué partes se divide una locomotora de vapor y para qué sirve cada cosa.

Vamos a ir viendo, de adelante hacia atrás qué elementos nos encontramos. Vamos a ver sólo los "órganos vitales", porque todo ese rollo de topes, faros, pilotos y demás no nos interesa para saber cómo funciona la máquina.

Lo primero que encontramos son los cilindros, siempre que se vean, porque había locomotoras, muy antiguas, que los tenían dentro del bastidor y no se ven. Los cilindros son la parte principal del motor de vapor. Aquí es donde se genera el movimiento cuando el vapor entra en el cilindro y mueve el pistón.

Bielaje de la locomotora 141F-2111 del Museo del Ferrocarril de Galicia. El cilindro es lo que se ve al final, encima de la última rueda. Foto mía en Orense en mayo de 2005.

Justo detrás de los cilindros están las bielas, que son esas barras de hierro que se mueven de forma caótica, aparentemente, pero cuyo movimiento está perfectamente calculado y coordinado. Son las encargadas de transmitir el movimiento de los cilindros a las ruedas.

Bielaje de la locomotora 141F-2111 del Museo del Ferrocarril de Galicia. Ahora vemos las bielas desde el cilindro. Foto mía en Orense en mayo de 2005.

Escondidas detrás de las bielas están las ruedas. Esto sabemos todos lo que son y no voy a explicar más. Pero lo que sí voy a explicar, aunque parezca muy obvio, es que cada rueda de un lado está unida a la rueda del otro lado por medio de un eje rígido. Por ello, como forman un solo conjunto, en el ferrocarril se habla de "ejes" y no tanto de "ruedas".

Unos cuantos ejes en distintas fases de reparación. Foto mía en Meiningen, septiembre de 2008.

Sujetando todo eso tenemos el bastidor de la máquina. Es la estructura de vigas de acero que soporta todo el peso y une todo el conjunto de la locomotora. Es evidente que debe de ser lo suficientemente robusto para aguantar las muchas toneladas que pesa la máquina sin romperse ni doblarse, pero lo suficientemente flexible para que la máquina pueda circular convenientemente en las curvas o cambios de rasante.

Bastidor de una locomotora de vapor en el taller de Meiningen. Foto mía en septiembre de 2008.

Por encima del bastidor está la caldera con todos los elementos que lleva asociados. La caldera es el recipiente que tiene agua por dentro y que se calienta hasta que se forma vapor. Como la caldera está herméticamente cerrada, cuando se genera vapor, éste no puede salir de ahí y se concentra generando presión. Exactamente igual a lo que ocurre con una olla exprés de las que tenemos en casa.

Locomotora 241 240-2215 (ex- Oeste 1015) del extinto Regimiento de Ferrocarriles nº 13 del Ejército de Tierra. Aquí, la máquina está sin ténder. Foto mía en San Gregorio (Zaragoza) en noviembre de 2005. (Corregido gracias a un comentario)

En la parte de delante de la caldera está el cajón de humos y la chimenea. Como os podéis imaginar por el nombre, el cajón de humos (o la caja de humos) es donde se concentra todo el humo que genera la máquina, y la chimenea por donde lo expulsa.

Locomotora Norte 2723, apodada "Verraco", de la Asociación Venteña de Amigos del Ferrocarril recién llegada a la estación de Frómista (Palencia) un calurosísimo día de julio de 2006. La chimenea y la caja de humos no hace falta decir dónde están. Foto mía.

Para manejar correctamente la presión que hay en la caldera y poder usar el vapor para la multitud de aplicaciones para las que lo necesitamos, hay muchos mandos (tantos más cuanto más complicada sea la máquina) que se instalan en la cabina, que es lo siguiente que nos llama la atención. También es el lugar en el que el maquinista y el fogonero hacen su trabajo.

Cabina de la 241 240-2215 de los militares, apodada "La Vaporosa" o la "San Fernando". Foto mía en la estación militar de San Gregorio (Zaragoza) en noviembre de 2005. (Corregido gracias a un comentario)

Pero la cabina esconde una cosa más. Y es la más importante. El hogar. No, no me refiero a ninguna casa. Por hogar entendemos el lugar en el que se hace el fuego. Y ese fuego es el que calienta la caldera para generar vapor.

Alrededor de la cabina, generalmente por debajo, hay otro elemento muy importante para la máquina, que son los inyectores. Estos aparatitos lo que hacen es inyectar agua dentro de la caldera para que siempre tengamos algo con lo que generar vapor.

Y por fin, detrás de la caldera está el ténder. Es ese vagoncito que va siempre detrás de la máquina y que está permanentemente unido a la misma que hace las veces de depósito de agua y combustible. Y sí, he dicho combustible, porque una máquina de vapor puede usar varios combustibles para funcionar. También hubo máquinas que no tenían ténder, porque llevaban los depósitos acoplados a la propia locomotora. Son las llamadas locomotoras-ténder, o locomotoras tanque.

Locomotora 130-0201 "Pucheta" en los exteriores del Museo del Ferrocarril de Madrid, aprovechando que las máquinas salían a la calle después de más de 25 años para un rodaje cinematográfico. Foto mía en mayo de 2009.

La "Pucheta" de la foto anterior es una locomotora-ténder de las que se llamaron locomotoras "de albarda", y es que eso que lleva encima de la caldera con forma de albarda, es el depósito de agua.

Locomotora 120-0201 en las vías exteriores del Museo del Ferrocarril de Madrid. Foto mía en mayo de 2009.

En este caso se trate de una locomotora-tanque. Los depósitos cuadrados a los lados de la caldera son las reservas de agua. El carbón solía ir en la parte trasera de la cabina.

Y con esto, podemos empezar a ver qué hace cada parte para que una máquina se mueva.

El hogar

Hemos dicho que el hogar es el sitio donde se hace el fuego que calienta la caldera para tener vapor, es decir, el alma de la locomotora. Las primeras locomotoras de vapor quemaban combustibles sólidos, como pueden ser la madera y, sobre todo, el carbón. Y como son sólidos, se caen al suelo, por esa mala manía que tiene la gravedad de atraer todo hacia el suelo. Así que tenemos que ponerle un suelo al hogar.

Todos sabemos que, para que se queme algo, no sólo tiene que haber ese algo que hace de combustible, sino que además, tiene que haber aire. Sin aire, las cosas no arden. Todos habréis visto que cuando queremos avivar la chimenea en casa o la barbacoa porque nuestros colegas están ya hartos de esperar esas chuletas churruscadas, cogemos un fuelle, o soplamos, o abanicamos el fuego para darle más fuerza. Y nosotros queremos que haya fuego para que podamos calentar ese mostrenco de caldera que nos han colocado aquí. Por eso, para que entre el aire que avive el fuego del hogar, el suelo que le hemos puesto no puede ser liso, sino que tiene que tener agujeros para que entre el aire. Pero no demasiado grandes porque si no, se nos cae el carbón de la máquina. Entonces, lo que ponemos en la parte baja del hogar es una rejilla sobre la que se apoya el carbón. A esta rejilla le llamamos parrilla. Y la otra gran ventaja que tiene la parrilla es que, además de dejar pasar el aire y sujetar mi carbón, deja caer las cenizas que se generan.

Hogar de una locomotora de vapor.Taller de locomotoras de vapor de la Deutsche Bahn en Meiningen (Alemania). En ese agujero grande es donde iría la parrilla. Foto mía en septiembre de 2010.

Y como al hogar le hemos puesto suelo, pues también le ponemos techo, porque lo que queremos es concentrar todo el calor de nuestro fuego en un solo sitio. Y a ese techo le llamamos el cielo del hogar. Además, al hogar tenemos que ponerle paredes, así no se nos va el calor hacia los lados.

Y diréis, pero si le pongo suelo (parrilla), paredes y techo (cielo), ¿por dónde sale el humo del fuego?

Pues, y aquí viene la gracia de todo el asunto, el humo sale por unos agujeros que le hacemos a la pared frontal del hogar. A esta pared le llamamos "placa tubular", por la sencilla razón de que, en cada agujero, le enganchamos un tubo muy largo.

Placa tubular de una caldera de nueva construcción en el taller de Meiningen. Foto mía en septiembre de 2008.

Vale, ya tenemos la parrilla donde colocar el fuego, unas paredes para concentrar el calor, el cielo para que nos se nos vaya el calor para arriba, y la placa tubular para que salga el humo. Pero, ¿por dónde cargamos el carbón?

Pues lo vamos a hacer por la puerta del hogar, que no es más que un agujero pequeñito con una puerta (para que no se nos vaya el calor) por donde le metemos el carbón a la máquina. Y la puerta del hogar está en la pared trasera, a la que llamamos el frente del hogar.

Dos visitantes observando el frente del hogar de una máquina de vapor en las Jornadas de Puertas Abiertas del taller de locomotoras de vapor de la DB en Meiningen. Foto mía en septiembre de 2008.

Y con todo esto, ya podemos hacer fuego.

Antes de seguir, os comento que las máquinas de vapor no sólo queman carbón. En la última época también las había que quemaban combustibles líquidos, especialmente fueloil pesado (el chapapote, dicho vulgarmente). Y para estas máquinas había que sustituir cositas en el hogar. En estas máquinas desaparece la parrilla, que ya no tiene que sujetar nada, y se forran las paredes del hogar con ladrillos de cerámica refractaria (como la que se usa en los hornos de leña). Pero, además, se fabrica una bóveda de ladrillo refractario para obligar al fuego a hacer una curva por dentro del hogar para distribuirlo mejor. Y para alimentar de combustible a esta máquina, ponemos un inyector de fuel que pulveriza el líquido para que arda mejor y más rápido.

Interior del hogar de una máquina de vapor-carbón. Se aprecian la parrilla (abajo), la bóveda refractaria (los ladrillos del centro), la placa tubular al fondo, y las soldaduras de los virotillos. Foto mía en el Museo del Ferrocarril de Darmsadt-Kranichstein (Alemania) en septiembre de 2008.

Y ya como curiosidad, hubo máquinas que no tenían hogar y que, por tanto, no podían generar su propio vapor, o sea, que había que llevarlas a una caldera nodriza, llenar su caldera de ese vapor y cuando se acababa, volver a hacer la misma operación. Estas máquinas sólo funcionaron en sitios donde el fuego no era muy bien visto, como fábricas de armas o munición, o depósitos de gas o petróleo o gasolinas, etc...

Locomotora sin hogar en el Eisenbahnmuseum Darmstadt-Kranichstein (Alemania). Observad que no tiene chimenea ni caja de humos (ni hogar, evidentemente). Foto mía en septiembre de 2008.

Hasta ahora hemos hablado de las paredes interiores del hogar. Y es que también tiene unas paredes exteriores. Imaginad un termo, normalito, de esos que podemos comprar en cualquier tienda de artilugios de cocina. El termo tiene unas paredes interiores, que son el recipiente donde metemos el líquido, un espacio vacío o con un aislante térmico, que es lo que hace que se mantenga la temperatura interior, y una pared exterior que es el cacharro propiamente dicho. Bien, pues si cambiamos el líquido por fuego, y el espacio intermedio lo llenamos de agua, además de hacerle todos los agujeros que hemos dicho, tenemos un hogar.

Pared interior, pared exterior y virotillos de un hogar. Foto mía en el Eisenbahnmuseum Darmstadt-Kranichstein en septiembre de 2008.

Así que el hogar también forma parte de la caldera y tiene que soportar las mismas presiones que la caldera. Por eso, para unir las dos paredes del hogar y que éstas no se deformen con la presión, se montan unas barritas que están soldadas por cada extremo a las paredes del hogar. Son los virotillos, y son un elemento importantísimo en la estructura del hogar.

Hogar de la locomotora 141F-2416 seccionada en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles. Foto mía en diciembre de 2012.

En esta última foto podéis ver una vista general del hogar. Se aprecian la bóveda refractaria, un trocito de la placa tubular, el cielo del hogar y los virotillos. En la parte amarilla hay fuego y en la azul, agua.

La caldera

La caldera es eso redondo enorme que va encima de la máquina. Por dentro tiene varias cosas. Una, la principal, es agua. Si no hay agua, no hay vapor, eso está claro. Pero la caldera está a un lado del hogar, así que calentar algo con esa forma es una auténtica pesadilla, porque sólo un extremo de la caldera está en contacto con el hogar. Y por eso, para distribuir mejor el calor, la caldera está atravesada por tubos, esos mismos que están soldados a la placa tubular del hogar. Es decir, que el humo y el aire caliente del hogar, para salir de la máquina, tiene que recorrer toda la caldera, llena de agua, por unos tubos, perdiendo gran parte de su calor en favor de la caldera.

Caldera (y hogar) seccionados. Foto mía en Darmstadt, sepiembre de 2008.

En la parte superior de la caldera está el domo. El domo es el sitio donde se acumula el vapor que se va generando por calentar el agua de la caldera. En realidad, la caldera entera es un depósito de vapor y el domo es la salida del vapor para lo que necesitemos. Es esa especie de bulto que le sale por arriba.

Dentro del domo está el regulador, que es la válvula que abrimos o cerramos para dejar salir el vapor hacia los cilindros.

Domo y regulador de la 141F-2416 seccionada en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles. Foto mía en diciembre de 2012.

Ese vapor sale por un tubo muy gordo que va desde el domo hasta los cilindros y que se llama tubo seco porque por ese tubo sólo pasa vapor. Es el tubo rojo grande de la siguiente foto.

Caldera seccionada de la 141F2416. Foto mía en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles en diciembre de 2012.

La caldera es uno de los elementos más robustos de la máquina de vapor, y es que es el sitio donde se acumula todo el vapor que generamos. Y como lo estamos acumulando, la presión interna de la caldera va aumentando. Digamos que es como un globo, que cuando lo hinchamos, la presión interna aumenta por encima de la presión atmosférica, que es la que hay en el ambiente. La diferencia es que la caldera no se dilata (tanto) como el globo, así que imaginad que metemos la misma cantidad de aire, pero el globo no aumenta su tamaño. Pues eso es lo que hace la caldera. Para que os hagáis una idea, las presiones a las que trabajan las máquinas de vapor van desde 5 hasta 15 kg/cm2 (kilogramos de presión por cada centímetro cuadrado de superficie), es decir, entre 50.000 y 150.000 veces la presión atmosférica, o lo que es lo mismo, la presión que hay a entre 50.000 y 150.000 metros de profundidad bajo el agua (si es que esas profundidades existieran). 50 y 150 veces la presión atmosférica, o lo que es lo mismo, la presión que hay a una profundidad de entre 50 y 150 metros bajo el agua. (Gracias al comentario de Pablo por hacerme ver el error). 5 y 15 veces la presión atmosférica, o lo que es lo mismo, la presión que hay a una profundidad de entre 50 y 150 metros bajo el agua. (Gracias al comentario de Poncio Pilato por hacerme ver, de nuevo, que había un error.)

Así, tal cual lo hemos comentado, se trata de una locomotora de vapor saturado, es decir, que funciona con el vapor tal cual sale de la caldera.

Hay calderas que tienen muchísimos más tubos aparte de los que hemos dicho hasta ahora. Y es que se descubrió que el vapor se podía recalentar y así hacer un trabajo más eficiente con él. Por eso, en las locomotoras de vapor recalentado, tenemos un montón más de tubos por los que circula el vapor en el interior de la caldera para recalentarse. Esto ocurre por unos tubos que van montados por dentro de los tubos de humos.

Batería de tubos recalentadores. Foto mía en Darmstadt (Alemania), septiembre de 2008.

El recorrido de los tubos es de ida y vuelta, lógicamente. El camino del vapor es desde la batería de recalentadores hacia dentro de la caldera, luego da la vuelta y sale por la batería de nuevo, pero hacia los cilindros.

Detalle del codo de un recalentador en la caldera seccionada de la 141F-2416. Foto mía en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles en diciembre de 2012.

Los cilindros

Forman el motor de vapor. Son unos cilindros (como su propio nombre indica) con un pistón dentro que se mueve a lo largo de él. El vapor entra por unas lumbreras (unos agujeros) situadas a un lado del pistón y lo empuja. Luego, esas mismas lumbreras se abren para dejar salir ese vapor usado y se abren las lumbreras del otro lado del pistón, con lo que entra más vapor, pero esta vez por el otro lado, así que lo empuja en la dirección contraria. Entonces se abren las lumbreras de ese lado y sale el vapor usado, y así volvemos al principio. Es a lo que llamamos un pistón de doble efecto, es decir, que recibe presión por los dos lados para moverse.

Cilindros de nueva factura en proceso de fabricación. Foto mía en el taller de máquinas de vapor de Meiningen (Alemania), septiembre de 2008.

Las lumbreras están conectadas a dos tubos que son el tubo seco y/o los recalentadores que vimos antes, y el escape, que es otro tubo que va a la caja de humos. Esa cavidad donde confluyen los dos tubos tiene una válvula o un émbolo (que puede tener diversas formas) que, según su posición, conecta el tubo seco con el cilindro, o el escape con el cilindro.

Cilindros montados en una locomotora en proceso de reconstrucción. Foto mía en Meiningen, septiembre de 2010.

En la parte de abajo está el cilindro propiamente dicho, donde va el pistón, y el cilindro de arriba es parte de la distribución, donde están las lumbreras que dejan pasar el vapor al cilindro.

Detalle del cilindro seccionado de la 141F-2416. Foto mía en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles en diciembre de 2012.

En esta foto vemos la distribución (arriba) y el cilindro (abajo). En la distribución, en la parte marrón, podemos ver unos agujeritos. Esas son las lumbreras que conectan con el cilindro a través de un taladro, cuya boca podemos ver justo debajo. En este momento, el pistón de la distribución está en la posición más adelantada. Cuando se mueve hacia atrás, vuelve a dejar las lumbreras libres, pero esta vez abiertas hacia el espacio blanco del centro, que está conectado al escape a través del tubo negro gordo que sube hacia arriba.

La distribución

O lo que es lo mismo, las bielas. Todo ese juego de abrir y cerrar las lumbreras para que pase el vapor se hace a través de la distribución.

El pistón tiene un vástago que va conectado a la biela motriz, que es la que transmite el movimiento a los ejes. Es la más gorda de todas, porque es la que lleva toda la fuerza y la potencia de la locomotora. Conectadas a la biela motriz hay otro mogollón de bielas, palancas y sectores, cuya posición podemos regular, que son las que abren o cierran las lumbreras en un momento u otro del ciclo del motor, con lo que podemos jugar con el momento en el que metemos vapor al cilindro. La distribución, además, es la que nos hace ir hacia adelante o hacia atrás.

Si os fijáis bien, os daréis cuenta de que, cuando miramos la distribución de una máquina de vapor, estamos viendo las mismas piezas que en el interior de un motor de combustión interna: cilindros, bielas, cigüeñal, válvulas... Y aquí lo dejo, a ver si, la próxima vez que tengáis oportunidad, sois capaces de reconocerlos.

Hay varios tipos de distribución y cada una tiene sus características propias. La más extendida y conocida es la distribución Stephenson que funciona como podéis ver en este enlace (http://www.stanleymotorcarriage.com/SteamEngine/EngineReversingVideo.htm). A la izquierda la válvula de la distribución, la pieza curvada es el sector del cambio de marchas, y a la derecha el acople con la biela motriz.

Otro tipo de distribución es la de tipo Walschaerts. En esta otra página (http://home.roadrunner.com/~trumpetb/loco/rodsf.html) podéis ver cómo funciona.

Y para terminar (aunque hay más), otro de los tipos de distribución más usados (aunque no en España) es la distribución por válvulas Lentz, del cual podéis ver unas cuantas fotos (con explicación en perfectísimo inglés): http://www.martynbane.co.uk/2003Trips/Brienzetc/museum2.htm

La caja de humos

A la caja de humos llegan un montón de tubos. Por un lado, los que traen el humo y el aire caliente de la caldera y del hogar, y por otro están los escapes de los cilindros. Es decir, que en la caja de humos se forma una bonita mezcla de humo y vapor usado, que salen por la chimenea. Pero para que la expulsión de los humos sea eficiente, los escapes suelen tener una forma muy específica. Además, dentro de la caja de humos está situado el ventilador.

Caja de humos, con el escape y la chimenea. Foto mía en Darmstadt (Alemania), septiembre de 2008.

El ventilador es un artilugio que sirve para generar una tiro artificial para que entre aire fresco por la parrilla que avive el fuego y que pase todo el humo por los tubos de la caldera. El más sencillo de todos es un aro lleno de agujeritos que está en la parte baja de la chimenea por los que sale vapor y por efecto Venturi (si tenéis curiosidad, la Wikipedia sabe un montón de estas cosas) succiona el aire de la caja de humos, que, como hemos visto, está conectada al hogar.

Detalle de la caja de humos y el escape de la 141F-2416, Foto mía en el Museo Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles en diciembre de 2012.

Esto es muy útil cuando la máquina está parada, porque cuando va andando, es el propio escape de los cilindros el que provoca ese tiro artificial. En esta foto se ven los escapes tipo Kilchap (diseñados así para forzar aún más el tiro) y en la parte baja los ventiladores.

La cabina

En la cabina de la máquina están situados todos los mandos para manejar la locomotora, además de la puerta del hogar, y estar totalmente abierta hacia el ténder. En la parte más alta del frente del hogar, hay una salida de vapor con una llave que es la que da servicio a todos los elementos auxiliares de la máquina.

Mandos de la locomotora 18 201 de la Deutsche Bahn, apta para ¡180 km/h!. Foto mía en Meiningen, septiembre de 2008.

Luego, también por ahí arriba, está el regulador. Suele ser la palanca más grande de toda la cabina. A un lado del hogar, está el cambio de marchas, que es el mando (volante o palanca) con el que podemos variar la distribución, y así poder ganar velocidad o cambiar el sentido de la marcha.

Cabina de la 141F-2009 en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles. Foto mía en diciembre de 2012.

Esta máquina tiene dos reguladores porque uno se usa sólo para los recalentadores. A la derecha, el volante del cambio de marchas. justo encima el eyector del freno de vacío.

Enganchados al propio frente están los tubos de nivel, que son con los que podemos ver cuánta agua hay en la caldera. Es un elemento muy importante porque no debemos dejar nunca que el nivel de agua baje por debajo del cielo del hogar, porque entonces la caldera podría explotar. Lo mismo que ocurre si os dejáis una olla exprés en el fuego de la cocina. También en el frente tenemos los diferentes manómetros para medir la presión que hay en la caldera, la que llega a los cilindros, y otras presiones que nos puedan ser necesarias (de aire para el freno...).

Normalmente, a los lados de la cabina están los mandos de los inyectores, importantes por eso de rellenar la caldera de agua para que podamos hacer más vapor. Pero la ubicación de estos mandos depende mucho de la máquina de que se trate. En la siguiente foto se ve un inyector, esa pieza de bronce justo debajo de la cabina.

Lateral de la cabina de la 242F-2009. Foto mía en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles en diciembre de 2009.

   

En las dos fotos anteriores (tomadas por mí en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles en diciembre de 2012) se ven dos tipos de cambio de marchas, de palanca y de volante. Pertenecen a las máquinas 130-0201 y 120-0201.

Y básicamente esto es lo principal. Luego siempre hay un montón más de mandos, llaves y válvulas para el resto de cosas, como la dinamo para generar electricidad, los areneros, el inyector de fuel (si es de fuel), el eyector de vacío (si lleva freno de vacío), el compresor (si lleva freno de aire), los engrasadores...

El ténder

Pues eso, lo que hemos dicho. El vagoncito que acompaña a la máquina que sirve de depósito. Normalmente, en la parte baja o a los lados del ténder suele ir el agua, y en la parte superior, el combustible. Si es carbón, será un hueco que se llena con éste. Y si es fuel, pues tendrá forma de depósito.

Ténder seccionado de la 141F-2416. Foto mía en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles en diciembre de 2012.

En la foto, la parte marrón va llena de fuel y la verde llena de agua (aunque aquí hay un Belén porque las fechas en las que está tomada la foto eran cerca de Navidad).

Hubo locomotoras en las que, debido a las largas distancias que tenían que recorrer sin poder repostar, o para evitar paradas para repostar agua o carbón, tuvieron varios ténder acoplados. Lo más habitual eran dos.

Ténder de una locomotora alemana en el taller de Meiningen (Alemania). Foto mía en septiembre de 2008.

Y ahora vamos a juntar todo esto para movernos. Los explico rápido, que ya hemos entrado en detalle antes.

El fuego del hogar calienta el agua de la caldera, que se transforma en vapor y aumenta la presión. Ese vapor sale por el domo, a través de tubo seco, y va a parar a la distribución, desde donde se reparte el vapor para entrar por un lado o por otro del cilindro y así empujar a los pistones, que a su vez mueven la biela motriz, que a su vez hace girar las ruedas, y con cuyo movimiento varía la posición de la distribución para volver a empezar el ciclo del motor de vapor. El vapor usado pasa a la caja de humos, donde genera una corriente de aire, provocando una aspiración en el hogar, y que hace que éste se llene de aire fresco por la parrilla, alimentando el fuego.

Y con este resumen, habréis podido comprobar que la gran paradoja de la máquina de vapor es que necesita vapor para poder empezar a funcionar.

Antes de terminar, vamos a echar un ojo a las aguadas. A lo largo del recorrido del tren, las locomotoras de vapor tenían que repostar sobre todo agua, y también carbón o fuel. Si había que rellenar de carbón o de fuel, normalmente se preveía directamente un cambio de máquina, para que el tren no perdiera tiempo. Sin embargo, si lo que había que repostar era agua, se aprovechaban las paradas en las estaciones para rellenar el ténder o los tanques. Y esto se hacía con las aguadas, o grúas de agua. En muchas estaciones siguen estando estas aguadas hoy día, vestigio de la época del vapor, pero que se ha conservado hasta nuestros días.

Tren Alvia híbrido de la serie 730 pasando junto a una de las aguadas de Puebla de Sanabria (Zamora). Foto mía en diciembre de 2012.

Esta foto tiene la peculiaridad de que el tren más moderno de Renfe en estos momentos, capaz de circular por vías electrificadas en continua y en alterna y capaz de rodar por vías de ancho ibérico y UIC y que va equipado con motores diesel para líneas no electrificadas (como es el caso de la foto), pasa todos los días junto a esa aguada, testigo desde hace más de 60 años del paso de todo tipo de trenes, muchos remolcados por locomotoras de vapor.

Aguada en la estación de Algodor (Madrid). Foto mía en agosto de 2009.

Pero había veces que el agua no estaba disponible junto a las estaciones, sino en mitad del campo. Si era factible, allí donde se encontraba un manantial o un acuífero cuya agua fuera de buena calidad para las máquinas de vapor (que no tuviera mucha cal), se construían depósitos de agua y se montaba una aguada en ese lugar.

Aguada junto al río Tiétar cerca de la estación de La Bazagona (Cáceres) mientras pasa un tren de contenedores de la empresa Takargo procedente de Portugal. Foto mía en agosto de 2009.

Es el caso de la aguada de La Bazagona, en la foto, que está situada en mitad del campo. Cerca de la estación de Santa María de la Alameda (Madrid) también hay unos depósitos de agua como los de la foto donde las máquinas de vapor de Norte "hacían aguada", es decir, parada para llenar agua. Un ejemplo muy significativo de la importancia que llegaron a tener las aguadas, lo tenemos en la línea de Cercanías de Cádiz, donde hay una estación llamada Segunda Aguada.


Y ahora sí, con esto y un bizcocho, hasta el próximo día (no rima, pero bueno).