Locomotora de turbina de gas

En 1952, Renault construyó una locomotora de turbina Clase 040-GA-1 de 1000 hp (0,75 MW) que utilizaba un motor de pistón libre Pescara como generador de gas. Le siguieron otras dos locomotoras, la Clase 060-GA-1 de 2400 hp (1,8 MW) entre 1959 y 1961. ^{[ 4 ]}    

El generador de gas Pescara en 040-GA-1 consistía en un motor diésel horizontal, monocilíndrico, de dos tiempos con pistones opuestos . No tenía cigüeñal y los pistones regresaban después de cada carrera de potencia mediante la compresión y expansión del aire en un cilindro separado. Los gases de escape del motor diésel impulsaban la turbina de gas, que hacía girar las ruedas a través de una caja de cambios de dos velocidades y ejes de hélice. ^{[ 5 ] : 142–3} El motor de pistón libre fue patentado en 1934 por Raul Pateras Pescara .

Varias locomotoras similares fueron construidas en la URSS por la Fábrica de Locomotoras de Járkov . ^{[ 4 ]}

En 1933, una locomotora existente fue reconstruida en los talleres de Gotaverken con un generador de gas de pistón y manivela. El generador de gas consistía en un motor diésel de cuatro cilindros y dos tiempos acoplado directamente a un compresor de aire alternativo de dos cilindros. Un único cigüeñal conectaba ambos pistones, superior e inferior. Los gases de escape del motor diésel alimentaban la turbina de gas, que a su vez impulsaba las ruedas mediante engranajes reductores reversibles. ^{[ 6 ]}

En la antigua Checoslovaquia se consideró la posibilidad de utilizar turbinas para la tracción ferroviaria . Se construyeron dos prototipos propulsados ​​por turbinas, denominados TL 659.001 y TL 659.002, que contaban con una configuración de ruedas CC, una turbina principal de 3200 hp (2,4 MW) , una turbina auxiliar y un motor diésel auxiliar Tatra 111 .  

El primer prototipo (TL 659.001) se terminó en febrero de 1958 y estaba previsto que se exhibiera en la Expo '58 . Sin embargo, esto se canceló por no estar listo a tiempo. Las primeras pruebas fuera de fábrica se realizaron en marzo de 1959 en la línea Plzeň – Cheb – Sokolov . El 15  de mayo de 1959, el primer prototipo arrastró su tren más pesado, de 6486 t (7150 toneladas cortas) , pero la turbina se incendió solo un día después. El motor nunca se reparó y finalmente fue desguazado. 

El segundo prototipo (TL 659.002) se construyó aplicando las lecciones aprendidas del primero. Salió de fábrica en marzo de 1960 y fue la única locomotora de turbina que superó las pruebas para operar en las vías de los antiguos Ferrocarriles Estatales Checoslovacos . Se probó cerca de Kolín y Plzeň con resultados dispares. Esta locomotora fue retirada del servicio en abril de 1966 y vendida a la Universidad de Žilina como material didáctico. Tiempo después fue desguazada.

Aunque los experimentos arrojaron resultados dispares, estas fueron las locomotoras con un sistema de propulsión puramente mecánico más potentes del mundo y también las locomotoras de tracción independiente más potentes de Checoslovaquia.

La British Rail GT3 era una máquina sencilla que consistía esencialmente en una turbina de gas estándar alimentada con petróleo montada sobre el chasis de una locomotora de vapor estándar, construida como prototipo por English Electric en 1961. Su simplicidad casi tosca le permitió evitar gran parte de la falta de fiabilidad que había afectado a las complejas locomotoras experimentales de turbina de gas-eléctricas 18000 y 18100 en años anteriores, pero no logró ser competitiva frente a la tracción convencional y fue desguazada.

Ejemplos de locomotoras mecánicas con turbina de gas:

• 1933 Nydqvist y Holm , 1-B-1, Suecia
• 1952 Davenport-Bessler Corp. , 1-B-1, Estados Unidos, 300 hp (220 kW) (diseñado por R. Tom Sawyer )
• Renault 1951 , Francia, BB, 1.000 hp (750 kW)  
• 1954 Gotaverken , Suecia, 1-C-1, 1300 hp (970 kW)  
• Renault 1958 , Francia, CC, 2.000 hp (1.500 kW)  
• 1958 Škoda , CC, Checoslovaquia, 3200 hp (2400 kW)  
• Locomotora British Rail GT3 de 1959 , 2'C, 2700 hp (2000 kW)  

En 1939, los Ferrocarriles Federales Suizos encargaron a Brown Boveri una GTEL con una potencia máxima de motor de 1620 kW (2170 hp) . Se completó en 1941 y, posteriormente, se sometió a pruebas antes de entrar en servicio regular. La Am 4/6 fue la primera locomotora eléctrica con turbina de gas del mundo. Su propósito principal era operar trenes de pasajeros ligeros y rápidos en rutas con un tráfico que normalmente no justificaba la electrificación .  

La Great Western Railway (GWR) encargó dos locomotoras de turbina de gas de diseño diferente, la 18000 y la 18100, pero su construcción finalizó para la recién nacionalizada British Railways .

La British Rail 18000 fue construida por Brown Boveri y entregada en 1949. ^{[ 7 ]} Era una GTEL de 1840  kW (2470  hp), encargada por la GWR y utilizada para servicios de pasajeros exprés.

La British Rail 18100 fue construida por Metropolitan-Vickers y entregada en 1951. Tenía una turbina de gas de tipo aeronáutico de 2,2 MW (3000 hp) . Su velocidad máxima era de 90 millas por hora (140 km/h) . ^{[ 8 ]}   

Una tercera locomotora, la GT3 , fue construida en 1961. Aunque fue construida por English Electric , que había sido pionera en la transmisión eléctrica con las locomotoras LMS 10000 , esta utilizaba una transmisión turbina-mecánica. ^{[ 9 ]}

El APT-E de British Rail , prototipo del Tren de Pasajeros Avanzado , funcionaba con turbinas. Al igual que el TGV francés , los modelos posteriores utilizaron un sistema de propulsión eléctrico alternativo. Esta decisión se tomó porque British Leyland , el proveedor de turbinas, dejó de producir el modelo utilizado en el APT-E, tras haber perdido interés en la tecnología de turbinas de gas a raíz de la crisis del petróleo de la década de 1970. ^{[ 10 ]}

ALCO-GE construyó un prototipo de locomotora eléctrica de turbina de gas alimentada con petróleo en 1948, con una configuración de ruedas BBBB . Tras las pruebas de demostración, fue adquirida por Union Pacific , que buscaba una alternativa más potente al diésel para los trenes transcontinentales. ^{[ 11 ]}

Union Pacific operó una flota de 55 locomotoras de carga con turbina a partir de principios de la década de 1950, todas fabricadas por Alco-GE. Las versiones de primera y segunda generación compartían la misma disposición de ruedas que el prototipo; la versión de tercera generación era del tipo CC . Todas se utilizaron ampliamente en rutas de larga distancia y resultaron rentables a pesar de su elevado consumo de combustible, debido al uso de combustibles residuales de la industria petrolera. En su apogeo, la compañía ferroviaria estimó que impulsaban alrededor del 10 % de los trenes de carga de Union Pacific, un uso mucho más extendido que el de cualquier otro modelo de esta clase. A medida que se encontraron otros usos para estos subproductos petrolíferos más pesados, especialmente para la fabricación de plásticos, el costo del combustible Bunker C aumentó hasta que las unidades se volvieron demasiado caras de operar y fueron retiradas del servicio en 1969.

En abril de 1950, Baldwin y Westinghouse completaron una locomotora experimental de turbina de 4000 hp (3000 kW) , la número 4000, conocida como Blue Goose , que también utilizaba la configuración de ruedas BBBB. La locomotora empleaba dos motores de turbina de 2000 hp (1500 kW) , estaba equipada para la calefacción de trenes de pasajeros con un generador de vapor que aprovechaba el calor residual de los gases de escape de la turbina derecha, y tenía una velocidad de 160 km/h (100 millas por hora) . Si bien se demostró con éxito tanto en el servicio de carga como de pasajeros en la PRR , MKT y CNW , no se realizaron pedidos de producción y fue desguazada en 1953. ^{[ 12 ]}     

En la década de 1960, United Aircraft construyó el tren de pasajeros TurboTrain , que fue probado por Pennsylvania Railroad y posteriormente utilizado por Amtrak y Via Rail . El Via permaneció en servicio hasta la década de 1980 y tuvo un excelente historial de mantenimiento durante este período, pero finalmente fue reemplazado por el LRC en 1982. Amtrak compró dos tipos diferentes de trenes propulsados ​​por turbinas , ambos llamados Turboliners . Los trenes del primer tipo eran similares en apariencia al Turbotrain T 2000 de SNCF, aunque el cumplimiento de las normas de seguridad de la FRA los hizo más pesados ​​y lentos que los trenes franceses. Ninguno de los Turboliners del primer tipo permanece en servicio. Amtrak también agregó a su flota varios Rohr Turboliners (o RTL) con nombres similares. Había planes para reconstruirlos como RTL III, pero este programa fue cancelado. Las unidades propiedad del estado de Nueva York fueron vendidas como chatarra y los tres trenes RTL restantes están almacenados en North Brunswick, Nueva Jersey y New Haven, Connecticut . ^{[ 13 ]}

En 1966, el ferrocarril de Long Island probó un automotor experimental de turbina de gas (denominado GT-1 ), propulsado por dos motores de turbina Garrett . Este automotor se basaba en un diseño Budd Pioneer III , con transmisiones similares a las de los RDC de Budd de la década de 1950. Posteriormente, el automotor fue modificado (como GT-2 ) para incorporar la capacidad de funcionar también con alimentación eléctrica por tercer riel . ^{[ 14 ] [ 15 ]}

En 1977, el LIRR probó ocho vagones de ferrocarril bimodales de turbina de gas-eléctricos/eléctricos, en un experimento patrocinado por el USDOT . Cuatro de estos vagones tenían sistemas de propulsión diseñados por GE , mientras que los otros cuatro tenían sistemas de propulsión diseñados por Garrett (se habían encargado cuatro vagones más con sistemas de propulsión GM / Allison , pero se cancelaron). Estos vagones eran similares en apariencia a los vagones EMU M1 del LIRR , con la adición de escalones para el embarque desde plataformas bajas. Los vagones sufrieron un alto consumo de combustible y problemas mecánicos, y fueron retirados del servicio después de un corto período de tiempo. Los cuatro vagones con motores GE se convirtieron en EMU M1 y los vagones Garrett fueron desguazados. ^{[ 16 ]}

En 1997, la Administración Federal de Ferrocarriles (FRA) solicitó propuestas para desarrollar locomotoras de alta velocidad para rutas fuera del Corredor Noreste, donde la electrificación no era económicamente viable. Bombardier Ltd., en la planta de Plattsburgh, Nueva York, donde se fabricaba el Acela , desarrolló un prototipo ( JetTrain ) que combinaba una turbina de gas Pratt & Whitney Canada PW100 y un motor diésel con una sola caja de engranajes que alimentaba cuatro motores de tracción idénticos a los del Acela. El motor diésel proporcionaba la potencia de entrada y la tracción a baja velocidad, y la turbina no se ponía en marcha hasta después de salir de las estaciones. El prototipo se completó en junio de 2000 y las pruebas de seguridad se realizaron en la pista de pruebas de la FRA en Pueblo, Colorado, a partir del verano de 2001. Se alcanzó una velocidad máxima de 251 km/h (156 millas por hora) . Posteriormente, el prototipo se llevó de gira por posibles emplazamientos para el servicio de alta velocidad, pero aún no se ha puesto en marcha ningún servicio. 

Dos tipos de locomotoras eléctricas con turbina de gas fueron sometidas a pruebas en la Unión Soviética. El programa de pruebas comenzó en 1959 y se extendió hasta principios de la década de 1970. La locomotora de carga GTEL G1-01, producida por Kolomna Locomotive Works , estaba diseñada para constar de dos locomotoras con una disposición de ruedas CC, pero solo se construyó una sección. La locomotora de pasajeros GP1 tenía un diseño similar, con la carrocería de la locomotora diésel TEP60 , también con una disposición de ruedas CC, e introducida en el programa de pruebas en 1964. Kolomna Works construyó dos unidades, la GP1-0001 y la GP1-0002, que también se utilizaron en el servicio regular con trenes de pasajeros. Ambos tipos tenían una potencia máxima de 2600 kW (3500 hp) . ^{[ 17 ]}  

Otra locomotora soviética de carga hidráulica con turbina de gas, tipo GT101, fue desarrollada y producida en 1960 por la Fábrica de Locomotoras de Luhansk . Al igual que la locomotora G1, estaba diseñada para constar de dos secciones con una disposición de ruedas CC, pero solo se construyó una. Esta sección estaba equipada con cuatro generadores de gas de pistón libre y una turbina de gas con una potencia máxima de 2200 kW (3000 hp) , y una transmisión hidráulica. A diferencia de otras locomotoras, no estuvo en servicio regular. ^{[ 18 ]}  

En 2006, Ferrocarriles Rusos introdujo la locomotora de maniobras GEM-10 GTEL. La turbina funciona con gas natural licuado (GNL) y tiene una potencia máxima de 1000 kW (1300 hp) . La GEM-10 tiene una configuración de ruedas CC. La TGEM10-0001, que utiliza la misma turbina y combustible que la GEM-10, es una locomotora de maniobras GTEL de dos unidades ( vaquería-ternero ) con una configuración de ruedas B-B+BB . La unidad esclava de esta locomotora se utiliza como ténder de combustible con gas natural comprimido (GNC) y no tiene un motor principal , por lo que sus motores de tracción son alimentados por la sección principal. La turbina de esta locomotora también tiene una potencia máxima de 1000 kW (1300 hp) . ^{[ 19 ]}    

La locomotora de carga GT1-001 GTEL, reconstruida a partir de una locomotora eléctrica VL15 en 2006 e introducida en 2007, funciona con GNL y tiene una potencia máxima de salida de 8300 kW (11100 hp) . ^{[ 20 ]} Una sección lleva el tanque de GNL y la otra alberga la turbina con generación de energía eléctrica, y ambas secciones tienen motores de tracción y cabinas. La locomotora tiene una disposición de ruedas BB-B+BBB , y se pueden acoplar hasta tres locomotoras GT1. ^{[ 21 ]} El 23 de enero de 2009, la GT1-001 realizó una prueba con un tren de 159 vagones que pesaba 15000 toneladas métricas (14800 toneladas largas; 16500 toneladas cortas) ; En diciembre de 2010 se realizaron más pruebas de transporte pesado. ^{[ 22 ]} En una prueba realizada en septiembre de 2011, la locomotora arrastró 170 vagones de carga con un peso de 16 000 toneladas métricas (15 700 toneladas largas; 17 600 toneladas cortas) . ^{[ 23 ]} En 2012, el motor diésel auxiliar utilizado para maniobras fue reemplazado por un acumulador, y la locomotora pasó a llamarse GT1h (donde la «h» significa híbrido ). La GT1h-001 permaneció como prototipo y nunca entró en producción. ^{[ 24 ]}   

La sucesora de la GT1h-001 es la GT1h-002. A pesar de la misma designación de tipo, esta locomotora tiene un diseño fundamentalmente diferente con una disposición de ruedas (BB)-(BB)+(BB)-(BB) , derivada de la locomotora diésel de maniobras TEM7 , y la nueva carrocería con tanque de GNL abierto, derivada de la carrocería de la locomotora eléctrica 2ES6 . Este tipo de serie tiene una potencia máxima de 8500 kW (11400 hp) . ^{[ 24 ]} Ambas locomotoras GT1h están en funcionamiento en Egorshino en la región de los Urales . ^{[ 17 ]}  

Canadian National Railways (CN) fue uno de los operadores de los trenes Turbo , que posteriormente fueron transferidos a Via Rail . Estos trenes operaron en la importante ruta Toronto-Montreal entre 1968 y 1982, cuando fueron reemplazados por los LRC .

En 2002, Bombardier Transportation anunció el lanzamiento del JetTrain , un tren de alta velocidad compuesto por vagones basculantes y una locomotora con motor turboeje Pratt & Whitney . Se propuso su uso en las rutas Quebec-Windsor, Orlando-Miami, y en Alberta, Texas, Nevada y el Reino Unido. Se construyó y probó un prototipo, pero aún no se ha vendido ningún JetTrain para su uso. Sin embargo, ninguna de estas propuestas se concretó y el JetTrain prácticamente desapareció, siendo reemplazado por la línea Bombardier Zefiro de trenes de alta y muy alta velocidad con motorización convencional. El JetTrain ya no aparece en los sitios web ni en el material promocional actual de Bombardier, aunque todavía se puede encontrar en sitios web antiguos con los logotipos de Canadair.

El primer prototipo del TGV , el TGV 001 , funcionaba con una turbina de gas, pero los elevados precios del petróleo impulsaron el cambio a líneas eléctricas aéreas para el suministro de energía. Sin embargo, a principios de la década de 1970 se construyeron dos grandes series de vagones interurbanos propulsados ​​por turbinas de gas ( ETG y RTG ), que se utilizaron ampliamente hasta aproximadamente el año 2000.

La SNCF (Ferrocarriles Nacionales Franceses) utilizó varios trenes de turbina de gas, denominados Turbotrain , en zonas no electrificadas . Estos trenes solían constar de una locomotora en cada extremo, con tres vagones entre ellos. El Turbotrain estuvo en servicio hasta 2005. Tras su retirada, cuatro unidades se vendieron para su uso posterior en Irán.

En 1946, una asociación Northrop - Hendy lanzó un intento de adaptar el motor de avión Northrop Turbodyne para su uso en locomotoras, con polvo de carbón en lugar de queroseno como combustible. En diciembre de 1946, Union Pacific donó su locomotora aerodinámica M-10002 retirada al proyecto. Sin embargo, el proyecto fue abandonado a finales de 1947 y no hay evidencia clara de que la locomotora proporcionada para el experimento haya llegado a funcionar con energía de turbina de gas o incluso a tenerla instalada. ^{[ 26 ]} Los detalles de la investigación fueron transmitidos a la London, Midland and Scottish Railway de Gran Bretaña . Tras un aumento en los precios del combustible que estaba haciendo que sus GTEL de petróleo no fueran rentables, UP revivió experimentalmente la idea de la turbina de gas de carbón a principios de la década de 1960, produciendo un prototipo de GTEL de carbón en octubre de 1962. Los problemas con la suciedad de las palas y la erosión fueron graves. El proyecto fue declarado fracaso después de 20 meses, tiempo durante el cual la locomotora recorrió menos de 10.000 millas.

El 23 de diciembre de 1952, el Ministerio de Combustible y Energía del Reino Unido realizó un pedido de una locomotora de turbina de gas alimentada con carbón para ser utilizada en los Ferrocarriles Británicos . La locomotora sería construida por la North British Locomotive Company y la turbina sería suministrada por CA Parsons and Company .

Según Sampson, el plan consistía en utilizar calentamiento indirecto. El carbón pulverizado se quemaría en una cámara de combustión y los gases calientes pasarían a un intercambiador de calor . Allí, el calor se transferiría a un cuerpo de aire comprimido independiente que impulsaría la turbina. En esencia, se trataría de un motor de aire caliente que utilizaba una turbina en lugar de un pistón.

Robertson muestra un diagrama que confirma la información de Sampson, pero también hace referencia a problemas de erosión de las palas de la turbina por las cenizas. Esto resulta extraño, ya que con un intercambiador de calor convencional de carcasa y tubos no existiría riesgo de que las cenizas entraran en el circuito de la turbina.

Ciclo de trabajo

Existían dos circuitos separados, pero interconectados: el circuito de combustión y el circuito de la turbina.

1. Circuito de combustión. El carbón pulverizado y el aire se mezclaban y quemaban en una cámara de combustión. Los gases calientes pasaban a un intercambiador de calor donde se transfería el calor al aire comprimido en el circuito de la turbina. Tras salir del intercambiador de calor, los gases de combustión entraban en una caldera para generar vapor para la calefacción del tren.
2. Circuito de la turbina. El aire entraba al compresor y se comprimía. El aire comprimido pasaba al intercambiador de calor, donde se calentaba con los gases de combustión. Este aire comprimido caliente impulsaba dos turbinas: una para accionar el compresor y la otra para impulsar la locomotora. El escape de la turbina (aire caliente) entraba entonces en la cámara de combustión para favorecer la combustión.

Especificación

La locomotora nunca se construyó, pero sus especificaciones eran las siguientes:

• Disposición de las ruedas: CC, posteriormente modificada a 1A1A-A1A1
• Potencia: 1.800 caballos de fuerza, posteriormente reducida a 1.500.
• Peso: 117 toneladas, posteriormente aumentado a 150 toneladas.

El resultado proyectado fue:

• Esfuerzo de tracción,
  • 30 000 lbf (130 kN) a 72 mph (116 km/h)    
  • 45.000 lbf (200 kN) a 50 mph (80 km/h)    
• Eficiencia térmica,
  • 10% a 1/10 de carga
  • 16% a media carga
  • 19% a plena carga

La transmisión sería mecánica, mediante una caja de cambios de dos velocidades, que proporcionaría una velocidad alta para el transporte de pasajeros y una velocidad menor para el transporte de mercancías. Las cifras de esfuerzo de tracción citadas anteriormente parecen sospechosamente altas para las velocidades especificadas. Es más probable que las cifras citadas correspondan al esfuerzo de tracción inicial y a la velocidad máxima en marcha alta y baja, respectivamente. Existe una maqueta de la locomotora propuesta en el Museo del Transporte de Glasgow y algunos registros se conservan en el Museo Nacional del Ferrocarril .