Locomotiva com turbina a vapor

Locomotiva com turbina a vapor é a locomotiva a vapor onde a energia do vapor de água pressurizado é transmitida para as rodas por meio de uma turbina a vapor. Numerosas experiências com este tipo de locomotiva foram feitas, a maioria sem sucesso. Na década de 1930, esse tipo de locomotiva era vista como uma forma de revitalizar a energia a vapor e desafiar as locomotivas a diesel que estavam sendo introduzidas.

Vantagens e desvantagens

Vantagens

thumb|x130px|direita|Locomotiva com turbina a vapor de Fredrik Ljungström (c. 1925) (Museu da Técnica, Estocolmo).

Alta eficiência em altas velocidades. Muito menos partes móveis, portanto, potencialmente maior confiabilidade. As locomotivas a vapor de pistão convencionais oferecem um torque sinusoidal variável, o que aumenta a possibilidade de "patinagem" das rodas na partida. As hastes laterais e a engrenagem de válvulas das locomotivas a vapor convencionais criam forças horizontais que não podem ser totalmente balanceadas sem aumentar substancialmente as forças verticais no curso, conhecidas como hammer blow ("martelada").

Desvantagens

A alta eficiência é normalmente obtida apenas em velocidades elevadas, embora, algumas locomotivas suecas e britânicas tenham sido projetadas e construídas para operar com uma eficiência igual ou melhor que a dos motores a pistão nas condições de operação habituais. Locomotivas de turbinas a gás tiveram problemas semelhantes, juntamente com uma série de outras dificuldades. A eficiência máxima só pode ser alcançada se a turbina esgota em um vácuo próximo, gerado por um condensador de superfície. Esses dispositivos são pesados e volumosos. Turbinas giram em apenas uma direção. Uma turbina reversa também deve ser instalada para que a locomotiva de acionamento direto possa dar marcha à ré.

Formas de tração

Existem duas maneiras de tracionar as rodas: diretamente, através de engrenagens, ou usando sistemas híbridos vapor-elétricos.

Tração direta

Argentina

A rota de San Miguel de Tucumán para Santa Fé, na Argentina, atravessa terrenos montanhosos com poucas oportunidades para abastecimento de água. Em 1925, a empresa sueca NOHAB construiu uma locomotiva de turbina similar ao primeiro projeto de Fredrik Ljungström. O condensador funcionou muito bem e, apenas 3% - 4% da água foi perdida no caminho e apenas devido a fugas da caldeira. A locomotiva teve problemas de confiabilidade e foi posteriormente substituída por uma locomotiva a vapor de pistão equipada com condensador.

França

Duas tentativas foram feitas na França. Um esforço, o Nord Turbine,Douglas-Self - French Turbine Locomotives. The Nord Turbine project of 1938. Acessado em 17/06/2018. tinha semelhanças com a LMS Turbomotive britânica tanto na aparência quanto na configuração mecânica. O projeto foi cancelado e a locomotiva foi construída como uma locomotiva a vapor de pistão composto. A segunda tentativa, a SNCF 232Q1, foi construída em 1939. Era incomum que suas rodas motrizes não estivessem conectadas por hastes laterais. Cada um dos seus três eixos motores tinha sua própria turbina. Foi gravemente danificada por tropas alemãs na Segunda Guerra Mundial sendo descartada em 1946.

Alemanha

thumb|x110px|direita|Henschel T38-2555, com tender de turbina a vapor

Várias tentativas desse tipo foram feitas por construtores de locomotivas alemães. Em 1928, a Krupp-Zoelly construiu uma locomotiva com turbina a vapor. O escape da turbina foi alimentado a um condensador que tanto conservou a água como aumentou a eficiência termodinâmica da turbina. A corrente da ar para o fogo era fornecida por um ventilador movido a vapor na caixa de fumaça. Em 1940, esta locomotiva foi atingida por uma bomba, foi retirada de serviço e não reparada.

Uma máquina similar foi construída por Maffei em 1929. Apesar de ter uma caldeira de alta pressão, era menos eficiente que a locomotiva Krupp-Zoelly. Foi atingida por uma bomba em 1943 e retirada do serviço.

A Henschel & Sohn converteu uma locomotiva a vapor 4-6-0 convencional para usar uma turbina a vapor em 1927.Douglas-Self - German Steam Turbine Locomotives. Acessado em 17/06/2018. A locomotiva propriamente dita foi pouco modificada, sendo as principais mudanças feitas no tender (vagão-depósito de combustível) que foi montado com rodas motrizes acopladas numa configuração 2-4-4, acionadas por turbinas separadas para a frente e para trás. Ambas as turbinas eram acionadas por vapor de exaustão de pressão intermediária dos cilindros originais. Um condensador na camisa forneceu um vácuo para a exaustão da turbina, aumentando a eficiência térmica. Como a exaustão final era de pressão insignificante, a chaminé da caixa de fumaça original teve que ser substituída por um ventilador elétrico na caixa de fumaça.

O desempenho foi decepcionante e a turbina foi removida em 1937.

Itália

Na Itália, Giuseppe Belluzzo projetou várias locomotivas experimentais com turbinas.Ptents.Google - Steam-turbine locomotive. Acessado em 17/08/2018. Patents.Google - Steam turbine locomotive . Acessado em 17/06/2018. Nenhuma delas foi testada em linhas ferroviárias principais. Sua primeira foi uma pequena locomotiva com quatro rodas, cada uma equipada com sua própria pequena turbina. O movimento inverso era realizado alimentando vapor nas turbinas através de uma entrada virada para trás. As turbinas a vapor são projetadas para girar em apenas uma direção, tornando esse método muito ineficiente. Ninguém mais parece ter tentado isso.

Belluzzo contribuiu para o projeto de uma locomotiva 2-8-2 construída por Ernesto Breda em 1931. Ela usava quatro turbinas em um arranjo de expansão múltiplo. A patente norte-americana de Belluzzo desse período mostra a turbina acionando um eixo de carga através de uma caixa de câmbio na frente dos maquinistas da locomotiva Patents.Google - Turbine locomotive. Acessado em 17/06/2018. Esta locomotiva nunca foi completamente equipada.

Em 1933, uma locomotiva FS 685 2-6-2 foi objeto de um experimento curioso, no qual o motor do pistão foi removido e uma turbina instalada em seu lugar, deixando a locomotiva completamente inalterada. Os testes foram, no entanto, um fracasso, já que seu desempenho mostrou-se bem abaixo de uma 685 normal; a turbina logo se quebrou, e isso sinalizou o fim da tentativa. Em 1936, a locomotiva foi reformada recebendo um motor de pistão convencional.La regina delle locomotive. Autor: Erminio Mascherpa. Editrice trasporti su rotaie, 1984, pág. 76, ISBN 9788885068025 Acessado em 17/06/2018.

Suécia

thumb|x170px|direita|Locomotiva com turbina de Ljungström na Estação Central de Estocolmo em 1922.

O engenheiro sueco Fredrik Ljungström projetou várias locomotivas com turbinas a vapor, algumas das quais tiveram grande sucesso. Sua primeira tentativa em 1921 foi uma máquina de aparência estranha.Douglas-Self - The Swedish Turbine Locomotives. Acessado em 17/06/2018. Seus três eixos motrizes estavam localizados sob o tender, a cabine e a caldeira ficavam sobre rodas não motorizadas. Como resultado, apenas uma pequena porção do peso da locomotiva contribuía para a tração. Em meados da década de 1920, Ljungström registrou a patente de um sistema de tração com eixo coaxial para uma locomotiva com turbina vapor.Patents.Google - Turbine-driven locomotive and similar vehicle. Acessado em 17/06/2018.

O segundo projeto foi uma locomotiva 2-8-0 similar a um projeto para transporte de carga bem sucedido. Construídas em 1930 e 1936 pela NOHAB, essas locomotivas substituíram as convencionais na ferrovia Grängesberg-Oxelösund. Nenhum condensador foi ajustado, já que sua complexidade superava suas vantagens termodinâmicas. As rodas eram movidas por um eixo de apoio. Esses motores permaneceram em serviço até a década de 1950, quando a linha foi eletrificada. Três motores deste tipo foram construídos e todos foram preservados. Atualmente podem ser vistos em Grängesberg, Suécia, dois (71 e 73) sendo propriedade do Grängesbergbanornas Järnvägsmuseum (GBBJ) e o terceiro (72) do Sveriges Järnvägsmuseum (Museu Ferroviário Sueco).

Suíça

thumb|x110px|SBB Nr. 1801.

A empresa suíça Zoelly construiu uma locomotiva de turbina em 1919. Era uma locomotiva 4-6-0 equipada com um condensador. Foi equipada com um soprador de ar frio alimentando a grade da fornalha, em vez de um ventilador de sucção na caixa de fumaça. Isso evitou a complexidade de construir um ventilador que pudesse suportar gases quentes e corrosivos. Mas, introduziu um novo problema: a fornalha estava sob pressão positiva, e gases quentes e cinzas podiam ser expelidos pelas portas da fornalha se fossem abertos enquanto o ventilador estava funcionando. Este arranjo potencialmente perigoso foi eventualmente substituído por um ventilador na caixa de fumaça.

Reino Unido

Turbomotive

Uma das locomotivas com turbinas mais bem-sucedidas operadas no Reino Unido, a LMS Turbomotive, construída em 1935,The Turbomotive: Stanier's Advanced Pacific. Autor: Tim Hillier-Graves. Pen and Sword, 2017, pág. 38, ISBN 9781473885776 Adicionado em 17/06/2018. era uma variação da locomotiva LMS Princess Royal Class 4-6-2. Não havia condensador. Embora uma desvantagem para a eficiência termodinâmica, ela permitia que a exaustão da turbina ainda fosse usada através de um tubo de sopro para extrair o fogo, como uma locomotiva a vapor convencional e, evitando os ventiladores separados que causavam tantos problemas para outras locomotivas de turbina, de acordo com o artigo do engenheiro ferroviário Roland Bond.Steam Index - "Journal Institution of Locomotive Engineers. Volume 36, (1946). Bond, R.C. (Paper No. 458)." Acessado em 17/06/2018. Apesar desta limitação, ela teve maior eficiência térmica do que as locomotivas convencionais. A alta eficiência resultou principalmente do fato de que havia seis tubeiras de vapor direcionadas para a turbina que podiam ser ligadas e desligadas individualmente. Cada tubeira poderia, assim, ser acionada, ou não, a plena potência, em vez de ser ineficientemente estrangulada a uma pressão mais baixa. Uma certa quantidade de inspiração parece ter vindo das turbinas de Fredrik Ljungström da Suécia.

A turbina principal falhou após onze anos de serviço pesado. A Turbomotive foi convertida em pistão em 1952, rebatizada de "Princess Anne" mas, foi rapidamente retirada de serviço após o grave acidente ferroviário de Harrow e Wealdstone em 1952.

Outros desenhos

thumb|x110px|Locomotiva Beyer-Ljungström.

Outra locomotiva foi construída pela Beyer, Peacock and Company, usando a turbina Ljungström de Fredrik Ljungström. Como num dos primeiros desenhos de Ljungström, as rodas motrizes estavam sob o tender. O desempenho foi decepcionante, no entanto, em parte devido ao mau aquecimento da caldeira.

Outra unidade foi reconstruída pela North British Locomotive Company. Em sua primeira concepção (descrita abaixo), possuía uma transmissão elétrica. Apenas alguns testes foram feitos antes de serem abandonados devido a falhas mecânicas.

Estados Unidos

thumb|x130px|direita|A única locomotiva S2 numa imagem promocional da PPR. thumb|x208px|direita|Turbinas, de avanço e reversa, da locomotiva S2.