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.