locomotora compuesta

• 2 cilindros, alternando alta y baja presión - "locomotora de expansión continua" (Samuel/Nicholson) ^{[ 9 ]}
• 1 de alta presión, 1 de baja presión: estos diseños suelen denominarse "diseños de doble expansión" y existen muchas variaciones ( Mallet -1; Vauclain ; Von Borries -1; Lindner; Gölsdorf -1; Herdner).

• 2 de alta presión, 1 de baja presión ( Francis William Webb )
• 1 alta presión, 2 baja presión (Sauvage; Klose ; Weyermann; Walter Mackersie Smith ; Samuel Waite Johnson ; Richard Deeley ; André Chapelon , Livio Dante Porta ).

• 1 alta presión, 2 baja presión; HP de la caldera de alta presión sobrecalentada, LP de los gases de escape de alta presión mezclados con los gases de escape de baja presión sobrecalentados de la caldera (Canadian Pacific) ^{[ 10 ]}

• 1 de alta presión, 1 de presión media, 1 de baja presión ( Greenwood y Batley , ^{[ 5 ]} Livio Dante Porta [propuesto])

• 1 de alta presión, 1 de presión intermedia, 2 de baja presión (LF Loree)

• 2 de alta presión, 2 de baja presión (de Glehn; Barbier; Von Borries-2; Golsdorf-2; Vauclain-1 y 2, locomotoras articuladas Mallet y Meyer )

• 2 de alta presión, 4 de baja presión (Chapelon)

Estos sistemas pueden disponerse de forma escalonada, con accionamiento a más de un eje, en línea concentrados en un solo eje o en tándem, con motores de alta y baja presión accionando una manivela común. Este último sistema fue muy utilizado en los Estados Unidos a principios del siglo XX, especialmente en el ferrocarril Santa Fe.

Jonathan Hornblower , nieto de uno de los montadores de máquinas de Newcomen en Cornualles, patentó una máquina de vapor de doble cilindro de movimiento alternativo en 1781. James Watt le impidió seguir desarrollándola , alegando que se habían infringido sus propias patentes. ^{[ 11 ]}

En 1804, el ingeniero británico Arthur Woolf inventó un método para reducir la magnitud del continuo calentamiento y enfriamiento de una máquina de vapor de expansión simple, que provoca ineficiencia . Woolf patentó su máquina estacionaria de alta presión compuesta Woolf en 1805.

El primer diseño registrado de una locomotora de vapor compuesta pertenece a Thomas Craddock, quien patentó un diseño para una locomotora de vapor compuesta de condensación en 1846. ^{[ 12 ] : 9–10}

En 1850, James Samuel , ingeniero del ferrocarril Eastern Counties Railway , recibió la patente número 13029 del Reino Unido para una «locomotora de expansión continua», un método de expansión de locomotoras de vapor, aunque la idea parece haber surgido de John Nicholson , maquinista de la línea. En este sistema, los dos cilindros alternaban entre alta y baja presión, produciéndose el cambio a la mitad de cada carrera. Dos locomotoras, una de pasajeros y otra de mercancías, se adaptaron al sistema, pero no se fabricaron más. ^{[ 13 ]}

Si la locomotora mencionada anteriormente es, estrictamente hablando, de tipo compuesto, es objeto de debate: la primera aplicación reconocible de un sistema compuesto en una locomotora fue en la número 122 del ferrocarril Erie, un tipo estadounidense común equipado en 1867 con cilindros compuestos en tándem según la patente número 70341 de JF Lay. ^{[ 14 ]} No se sabe nada de la trayectoria posterior de esta locomotora y no parece haber sido reproducida.

La forma más simple de la locomotora compuesta tiene dos cilindros, un cilindro de alta presión en un lado y uno de baja presión en el otro; el nombre refleja el flujo de vapor desde el HP al LP a través de la locomotora. La mayoría de los primeros intentos de locomotoras compuestas fueron variaciones del diseño compuesto cruzado, algunos notables son los de Baxter (1870) y Hudson (1873). ^{[ 12 ] : 12} Otro fue el de Anatole Mallet , quien introdujo en 1876 una serie de pequeñas locomotoras tanque compuestas 0-4-2 de 2 cilindros para el ferrocarril Bayonne-Anglet-Biarritz. Estas fueron un éxito total y funcionaron durante muchos años.

Las locomotoras de doble expansión presentan un problema de diseño fundamental: si el cilindro de alta presión (AP) se detiene en la posición central, la locomotora no puede arrancar. Para solucionar esto, todas las locomotoras de doble expansión cuentan con algún tipo de válvula de arranque que permite la entrada de vapor de alta presión al cilindro de baja presión (BP) al arrancar. En algunos casos, esta válvula es operada manualmente por el maquinista, mientras que en otros es automática; en este último caso, se la suele denominar «válvula interceptora». La principal diferencia entre los distintos tipos de locomotoras de doble expansión radica en el diseño y el funcionamiento de la válvula interceptora.

Un segundo problema de diseño de las locomotoras de doble expansión es que, si la máquina funciona con un corte de encendido corto, el vapor se expande completamente en el cilindro de alta presión y no realiza trabajo en el cilindro de baja presión, lo que provoca tensiones desiguales en la máquina. Este problema se evita si la máquina tiene 3 o 4 cilindros, lo cual fue un factor determinante en el desarrollo de los siguientes tipos.

Mallet también diseñó locomotoras compuestas con transmisión independiente para alta y baja presión, algunas con un chasis rígido único que nunca se construyeron, otras con un chasis trasero rígido sobre el que se montaban los cilindros de alta presión y una unidad motora delantera articulada para baja presión. Esta última configuración se adoptó en todo el mundo. La primera aplicación fue una serie de locomotoras de vía de 600  mm ( 1  pie 11 + 5/8 pulgadas )   construidas especialmente por la compañía Decauville para la Exposición Universal de París de 1889; el diseño se introdujo en el ferrocarril norteamericano en 1900 con la B&O n.° 2400, y rápidamente se popularizó allí. La práctica en Estados Unidos evolucionó hacia la "Mallet simple", que utilizaba la misma configuración articulada pero eliminaba la expansión. Tanto las locomotoras Mallet simples como las compuestas se mantuvieron en servicio hasta el final de la era del vapor.

Los esquemas de tracción dividida de distancia entre ejes rígida de Mallet, aunque nunca se aplicaron realmente, pudieron haber inspirado a Francis Webb en Gran Bretaña. Tras realizar pruebas con una antigua locomotora monomotor convertida en una de dos cilindros en 1878, introdujo en 1882 su primera clase Experiment con una tracción dividida similar : locomotoras de tres cilindros con ruedas motrices desacopladas, en las que dos pequeños cilindros exteriores de alta presión descargaban en uno grande de baja presión situado entre los bastidores. Le siguieron otras clases similares, progresivamente ampliadas. Las ruedas motrices desacopladas resultaban problemáticas, ya que los dos pares de ruedas podían girar en direcciones opuestas al arrancar, si una locomotora había retrocedido previamente sobre su tren. Esta disposición parece haberse adoptado por falta de espacio, pero Tuplin ha señalado que, si se hubiera instalado el mecanismo de distribución de Walschaert , las ruedas motrices podrían haberse acoplado de la forma habitual.

Las configuraciones de ruedas variaban: 2-2-2-0, 2-2-2-2, 2-2-2-2T, 2-2-4-0T y 0-8-0; estas últimas eran locomotoras de carga y las únicas de este tipo que tenían todas las ruedas acopladas. La siguiente etapa de Webb consistió en dos clases de locomotoras compuestas de 4 cilindros 4-4-0, una de tipo 4-6-0 y, finalmente, más 0-8-0. Estas últimas se consideran las locomotoras compuestas de Webb más exitosas y algunas se mantuvieron en su estado original hasta la década de 1920.

En 1889, Samuel M. Vauclain, de Baldwin Locomotive Works, ideó la locomotora compuesta Vauclain . Este diseño utilizaba un motor de doble expansión instalado en el espacio que ocupaba un motor convencional de expansión simple en la locomotora, empleando una válvula de pistón única con engranajes convencionales para controlar tanto los cilindros de alta como de baja presión. El cilindro de alta presión podía colocarse encima o debajo del de baja presión; cada uno tenía su propio vástago de pistón conectado a una cruceta común, de modo que se requería una biela y una manivela para cada par de cilindros. ^{[ 15 ]} Se lograron eficiencias de combustible sustanciales, pero las dificultades de mantenimiento condenaron a este tipo de locomotora. La mayoría fueron convertidas a motores convencionales.

El compresor tándem apareció por primera vez en el ferrocarril Erie en 1867. Al igual que el compresor Vauclain, un compresor tándem tiene cada par de cilindros de alta y baja presión que impulsan una cruceta, una biela y una manivela comunes; pero a diferencia del compresor Vauclain, los cilindros están montados uno delante del otro. La pared posterior del cilindro delantero suele ser la pared frontal del cilindro trasero. El vástago del pistón del cilindro trasero está conectado a la cruceta de la forma habitual, pero el cilindro delantero puede tener su vástago o vástagos de pistón de dos formas: o bien el vástago del pistón del cilindro trasero se extiende hacia adelante para soportar también el pistón delantero; o bien, si el cilindro delantero es el de baja presión (y por lo tanto de mayor diámetro que el cilindro de alta presión que está detrás), puede tener dos vástagos de pistón largos que pasan por encima y por debajo, o a cada lado, del cilindro de alta presión para alcanzar la cruceta común. ^{[ 16 ]}

En Gran Bretaña, hubo tres locomotoras de doble expansión en tándem. La primera fue la número 224 del Ferrocarril Norte Británico , construida en 1871 como una locomotora 4-4-0 de expansión simple, siendo la pionera de la Clase 224 ; se convirtió en una locomotora de doble expansión en tándem en 1885, pero volvió a ser de expansión simple en 1887. Como locomotora de doble expansión, los cilindros de alta presión tenían 13 pulgadas (330 mm) de diámetro, colocados delante de los cilindros de baja presión, que tenían 20 pulgadas (510 mm) de diámetro; la carrera común era de 24 pulgadas (610 mm) . Las otras dos fueron ambas 2-4-0 en el Ferrocarril del Gran Oeste (GWR): la número 7 , construida en febrero de 1886 para el ancho de vía estándar, y la número 8, construida en mayo de 1886 para el ancho de vía ancho. La locomotora n.° 7 tenía cilindros de alta presión de 15 pulgadas (380 mm) de diámetro y de baja presión de 23 pulgadas (580 mm) . Los cilindros de la n.° 8 eran ligeramente más pequeños: de alta presión de 14 pulgadas (360 mm) y de baja presión de 22 pulgadas (560 mm) . En ambas locomotoras GWR, los cilindros de baja presión estaban en la parte delantera y la carrera era de 21 pulgadas (530 mm) . La n.° 7 dejó de funcionar en 1887 y fue desmantelada en 1890; la n.° 8 nunca entró en servicio regular, ya que falló durante las pruebas y fue parcialmente desmantelada en 1892. Ambas locomotoras fueron renovadas en 1894 como locomotoras 4-4-0 de expansión simple de ancho de vía estándar. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}               

Las locomotoras de doble expansión en tándem eran muy comunes en Estados Unidos antes de la Primera Guerra Mundial, y algunas compañías ferroviarias, como la Santa Fe, contaban con un gran número de ellas en diversas configuraciones de ruedas. Una característica distintiva de las locomotoras de doble expansión en tándem de mayor tamaño era una grúa de bastidor en forma de "A" montada a cada lado de la caja de humos, que permitía extraer el cilindro delantero (normalmente el de baja presión) cuando el cilindro trasero requería mantenimiento.

Un tipo muy conocido en los ferrocarriles franceses era la locomotora compuesta de 4 cilindros de Glehn. El prototipo, Nord 701 , fue diseñado por Alfred de Glehn , ingeniero de la Société Alsacienne de Constructions Mécaniques (SACM), y encargado por Gaston du Bousquet , ingeniero jefe del Ferrocarril del Norte. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Inicialmente se construyó como una 1AA / 2-2-2-0 de bastidor rígido, pero posteriormente se reconstruyó con un bogie pivotante como una 2′AA / 4-2-2-0 y aún se conserva en ese estado. Tenía una configuración de 4 cilindros con las ruedas motrices desacopladas y guardaba un parecido superficial con una locomotora compuesta Webb, excepto que los cilindros HP internos impulsaban el eje motriz delantero, mientras que los cilindros LP externos impulsaban el eje trasero. En 1891, dos locomotoras de producción, la Nord 2.121 y la 2.122 , entraron en servicio con la posición de los cilindros invertida por insistencia de du Bousquet, es decir, fuera de alta presión (HP) y dentro de baja presión (LP). Una de ellas inicialmente tenía ejes motrices desacoplados, como antes, pero esta disposición resultó inferior a la versión acoplada. En total se construyeron sesenta.

El tipo fue mejorado notablemente por du Bousquet, quien perfeccionó la disposición de las bielas y el mecanismo de válvulas en el interior de los bastidores para facilitar el acceso. Posteriormente, encargó estudios sobre los conductos de vapor para reducir la estrangulación, lo que allanó el camino para el trabajo de Chapelon 27 años después. Esto dio como resultado una disposición muy eficiente, copiada por numerosos ferrocarriles en Francia, Bélgica, Alemania e Inglaterra. ^{[ 22 ]}

Por ello, el modelo de Glehn se fabricó en grandes cantidades en Francia, con diversas configuraciones de ruedas, para su uso tanto en Francia como en el extranjero; también se construyeron algunas en Alemania y Bélgica. Muchas prestaron servicio durante largos periodos: una locomotora 4-6-0 230.D , introducida en 1909 y estacionada en Creil, todavía podía verse con frecuencia en la Gare du Nord de París a finales de la década de 1960.

Tres locomotoras del tipo 4-4-2 fueron adquiridas por el Great Western Railway , una en 1903 y dos ligeramente más grandes en 1905 bajo la supervisión de su Superintendente de Locomotoras, George Jackson Churchward, para realizar pruebas comparativas y compararlas con sus propios diseños. Para compararlas con las posteriores locomotoras compuestas de Glehn, se construyó especialmente la locomotora simple de 4 cilindros 4-4-2 n.° 40 North Star . Si bien el Great Western adoptó varias prácticas francesas como resultado de estas pruebas, el sistema compuesto de Glehn no fue una de ellas. En 1904, el ferrocarril de Pensilvania encargó una copia de la Nord Atlantic, apodada "la aristócrata francesa", para el Pennsy, pero era demasiado ligera, lo que la hacía poco potente debido a la baja tracción. Fue desguazada en 1912. ^{[ 23 ]}

En Nueva Zelanda, las locomotoras de la clase A de NZR de 1906 y de la clase X de NZR de 1908, construidas localmente, eran de tipo compuesto de Glehn, aunque posteriormente se convirtieron en su mayoría en locomotoras simples con sobrecalentamiento (y la clase A a solo 2 cilindros).

En Rusia, desde 1906, la compañía Putilov (más tarde la planta Kirov ) fabricó la locomotora Clase U de cuatro cilindros. Los dos cilindros de alta presión se ubicaban fuera del bastidor, mientras que los dos de baja presión se ubicaban dentro. Una locomotora Clase U, la U-127, aún se conserva y se exhibe en el Museo del Ferrocarril de Moscú .

La North British Locomotive Company de Glasgow construyó locomotoras compuestas de Glehn para el ferrocarril Bengal Nagpur de la India en 1906, las cuales resultaron muy exitosas y económicas en cuanto al consumo de agua. En 1929 se construyeron locomotoras de mayor tamaño.

En 1900, el ingeniero italiano Enrico Plancher desarrolló un nuevo y curioso diseño de motor compuesto, que apareció por primera vez en la locomotora expreso clase 500 de la Rete Adriatica ; destacaba por su diseño asimétrico de cuatro cilindros, en el que los dos cilindros de alta presión (HP) y los dos de baja presión (LP) estaban agrupados, y cada par era alimentado por una única válvula de pistón que admitía vapor simultáneamente a los extremos opuestos de los dos cilindros. El prototipo de la clase se presentó en el Congreso Internacional de Ferrocarriles de 1900 en París y fue recibido con interés, aunque no tuvo un éxito rotundo; sin embargo, a la larga, el diseño asimétrico, si bien simple, resultó bastante incómodo, ya que era difícil igualar el trabajo de cada lado de la locomotora y esto provocaba oscilaciones . El motor Plancher se utilizó de nuevo en algunos diseños de Ferrovie dello Stato, como las locomotoras expresos clase 680 de la FS y las locomotoras de mercancías pesadas clase 470 de la FS , pero no se aprobó ninguna otra aplicación tras la adopción generalizada del sobrecalentador . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Las célebres reconstrucciones de André Chapelon , mencionadas anteriormente, a partir de 1929, se realizaron principalmente en locomotoras compuestas de Glehn. Chapelon, junto con otros ingenieros franceses como Gaston du Bousquet y Marc de Caso, llevaron estas locomotoras a su máximo rendimiento.

Maffei, en Múnich, también fabricó una gran proporción de los trenes alemanes de cuatro cilindros (como el S 3/6), principalmente según el sistema posterior de von Borries. A pesar de la estricta política de estandarización de la Reichsbahn, que imponía una simple expansión, un número reducido pero significativo de trenes Maffei Pacific, con un diseño que data de 1908, se consideraron indispensables para las rutas montañosas con severas limitaciones de carga por eje y se fabricaron nuevos incluso en 1931.

En 1948, Livio Dante Porta se inspiró en las reconstrucciones de las locomotoras 4700/240P de Chapelon para "Argentina"; su primera producción fue una locomotora de cuatro cilindros de doble expansión, reconstruida a partir de una antigua Pacific de vía métrica de fabricación británica y convertida en una futurista 4-8-0.

Otra configuración históricamente importante, aunque menos común, también tuvo su origen en Francia: el motor de tres cilindros con dos cilindros de baja presión externos dispuestos a 90°, alimentados por un cilindro de alta presión entre los bastidores, con el cigüeñal a 135° respecto a los demás. Se incorporó por primera vez a un prototipo para el Ferrocarril del Norte francés en 1887, según el diseño de Edouard Sauvage. La Nord 3.101 permaneció como un único ejemplar, pero aun así prestó servicio durante 42 años.

En el Ferrocarril del Noreste Británico apareció en 1898 un prototipo de locomotora compuesta 4-4-0, n.º 1619 ( NER Clase 3CC ) con esta misma disposición según el diseño de Walter Mackersie Smith (que a su vez fue reconstruido a partir de un prototipo compuesto de 2 cilindros Worsdell/Von Borries anterior de 1893). ^{[ 26 ]} Esto formó la base para un lote inicial de cinco locomotoras Clase 1000 del Ferrocarril del Medio Oeste diseñadas por Samuel Waite Johnson para el Ferrocarril del Medio Oeste . A partir de 1905, a estas les siguieron 40 de una versión de producción ampliada en la que todos los accesorios Smith fueron reemplazados por un sistema de arranque simplificado incorporado al regulador; este según el diseño del sucesor de Johnson, Richard Deeley . Las locomotoras originales de Johnson fueron reconstruidas como compuestas Deeley a partir de 1914 y fueron sobrecalentadas.

Tras la formación del Ferrocarril de Londres, Midland y Escocia en 1923, y después de pruebas comparativas con las locomotoras de las compañías constituyentes, la locomotora compuesta de Midland se consideró la mejor y se adoptó, en una versión ligeramente modificada, la LMS Compound 4-4-0 , entre 1925 y 1932 como la locomotora expreso estándar de clase 4 de la LMS, alcanzando un total de 245 locomotoras. Las locomotoras de la LMS no fueron del agrado de todos, especialmente en el antiguo tramo del LNWR, donde se adaptaban a los métodos operativos impuestos por el Ferrocarril de Midland, pero en Escocia fueron recibidas como la solución a graves problemas endémicos de las locomotoras expresos y, en general, gozaron de buena acogida.

En 1932 , Beyer, Peacock and Company construyó cinco locomotoras de tres cilindros de mayor tamaño, siguiendo el mismo modelo general y según el diseño de GT Glover, para la Great Northern Railway (Irlanda) en los trenes expresos Dublín-Belfast. Entre los ejemplares conservados se encuentran el prototipo reconstruido Midland Compound, la locomotora número 1000 (BR 41000) y la locomotora número 85 Merlin de la Great Northern Railway (Irlanda).

A partir de 1896, Weymann introdujo una locomotora de tres cilindros tipo 2-6-0 con transmisión dividida y bielas a 120° para su uso en las rutas suizas Jura-Simplon, de fuerte pendiente; finalmente, se fabricaron 147 unidades.