Locomotora de vapor de tecnología avanzada 5AT

5AT
La locomotora 5AT ilustrada en su forma final.
Tipo y origen Tipo de potencia Vapor Diseñador David Wardale
Presupuesto Configuración: ​  •  Por qué 4-6-0 Indicador 4 pies  8 pulgadas+1 ⁄ 2  pulgada(1435 mm) Diámetro principal 3 pies 0 pulgadas (0,914 m) Diámetro del conductor . 6 pies 2 pulgadas (1,880 m) Carga por eje 20 toneladas Peso adhesivo 60 toneladas Peso locomotor 80 toneladas largas 0 cwt (179.200 lb o 81,3 t) Peso total 160 toneladas largas 0 cwt (358.400 lb o 162,6 t) Tipo de combustible Petróleo ligero o carbón Capacidad de combustible 7 toneladas largas 0 cwt (15.700 lb o 7,1 t) Tapa de agua. 10 000 galones imperiales (45 000 L; 12 000 galones estadounidenses) Presión de la caldera 305  psi (2,10  MPa ) Cilindros Dos Tamaño del cilindro 17,72 pulgadas × 31,5 pulgadas (450 mm × 800 mm) Freno de locomotora Aire Frenos de tren Aire
Cifras de rendimiento Velocidad máxima 113 mph (velocidad máxima de diseño 125 mph) Esfuerzo de tracción 32.688  libras (145,40  kN ) Factor de adh. 4 aprox.

La locomotora de vapor de tecnología avanzada 5AT fue un diseño conceptual concebido por el ingeniero británico David Wardale , ^[1] y descrito por primera vez en su obra definitiva de 1998 sobre el vapor moderno, El diablo rojo y otros cuentos de la era del vapor. ^[2]

El propósito de Wardale al proponer el concepto de diseño "Super Class 5 4-6-0 " (como lo llamó entonces) era ofrecer un futuro para los trenes impulsados ​​por vapor en las líneas principales del Reino Unido en las que es probable que el uso de tracción tradicional se elimine gradualmente a medida que aumente la velocidad y la densidad del tráfico ferroviario comercial. ^[3]

Los trabajos del proyecto se suspendieron en marzo de 2012 tras la finalización de un estudio de viabilidad del proyecto y la consiguiente imposibilidad de reunir la financiación necesaria para completar el diseño detallado y la construcción de la locomotora. ^[4]

La propuesta de Wardale era una locomotora que:

• ser aceptable para las autoridades ferroviarias británicas al ajustarse al tamaño y peso de las locomotoras BR 5MT Clase 4-6-0 que han operado en las principales líneas británicas desde 1951;
• ofrecer un nivel de rendimiento necesario para integrar trenes chárter impulsados ​​por vapor en el moderno sistema ferroviario de alta velocidad sin causar cuellos de botella;
• ofrecen una fiabilidad mucho mayor y unos costes operativos mucho más bajos que las locomotoras de vapor tradicionales.

La edición de abril de 1998 de Steam Railway contenía un artículo de Wardale titulado "¿A dónde va el vapor ahora?" ^[5] que incluía una referencia a una "locomotora de formato Clase 5 4-6-0 -llamándola 5GT- que superaría a cualquier British Pacific ".

Todavía descrita como 5GT en la edición de febrero de 2001 de The Railway Magazine , ^[6] el nombre 5AT surgió por primera vez en una carta de Alan Fozard al editor de Steam Railway en junio de 2001, ^[7] que coincidió con la formación del Proyecto 5AT. ^[8]

La 5AT en su forma conceptual final permaneció casi idéntica en tamaño y peso a la BR 5MT, compartiendo los espaciamientos entre ejes y siendo solo 4 toneladas más pesada, con cargas por eje de 20 toneladas en cada eje motriz y 10 toneladas en cada eje de bogie. Donde se diferenciaba en tamaño de la 5MT era en su ténder , que se amplió enormemente para transportar grandes cantidades de combustible y agua para extender su rango operativo. Un ténder tan grande también habría proporcionado espacio para las partes transportadas por la locomotora de sistemas de señalización avanzados como el Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario . El ténder de cuatro ejes de la 5AT habría tenido un peso bruto de 80 toneladas con una capacidad de combustible ( fuel-oil ) de 7 toneladas y una capacidad de agua de 46 toneladas (10.000 galones imperiales).

Esquema de la locomotora 5AT

El Proyecto 5AT se creó en 2001 con el objetivo de comercializar el concepto de locomotora 5AT de Wardale y hacerlo realidad. El proyecto fue encabezado por un pequeño equipo de ingenieros, científicos y empresarios profesionales cuyo objetivo común era que la tracción a vapor siguiera funcionando en las líneas principales en el futuro previsible.

La primera tarea que emprendió el equipo del proyecto fue encargar a David Wardale la realización de los cálculos de diseño fundamentales de la locomotora. El objetivo de estos cálculos era verificar mediante cálculos detallados que el diseño conceptual era viable en términos de ingeniería y que cumpliría con las predicciones de rendimiento que Wardale había hecho (véase más adelante). Al mismo tiempo, se creó un sitio web del proyecto ^[8] .

Wardale completó los cálculos de diseño fundamentales de la locomotora a finales de 2004, después de dos años y medio de trabajo casi continuo. El trabajo consta de 6100 líneas de cálculo divididas en 26 secciones, como se indica a continuación:

• Sección 1.1 - Cálculos generales - Determinación de las características de potencia objetivo y esfuerzo de tracción-velocidad ^[9]
• Sección 1.2 - Cálculos generales - Determinación de las curvas de gradiente de velocidad-carga objetivo ^[10]
• Sección 1.3 - Cálculos generales - Cálculos básicos preliminares ^[11]
• Sección 1.4 - Cálculos generales - Diagramas de esfuerzo de tracción ^[12]
• Sección 2.1 - Pistones, Anillos, Bielas y Barras de Cola;
• Sección 2.2 - Cruceta y barras deslizantes;
• Sección 2.3 - Bielas;
• Sección 3 - Muñequillas, bielas, ejes motrices y acoplados, y cojinetes de rodillos de muñequillas y ejes;
• Sección 4 - Válvulas de pistón, anillos de válvulas, husillos de válvulas y empaquetaduras;
• Sección 5 - Mecanismo de válvulas;
• Sección 6 - Cilindros y camisas de cilindros;
• Sección 7 - Cálculos de vapor de enfriamiento del revestimiento de la válvula;
• Artículo 8 - Equilibrado de ruedas;
• Sección 9 - Calentamiento del agua de alimentación;
• Artículo 10 - Calentamiento del aire de combustión;
• Sección 11.1 - Resistencia de la caldera;
• Sección 11.2 - Sistema de combustión de la caldera;
• Sección 11.3 - Flujo de gas de combustión + vapor y transferencia de calor;
• Artículo 12 - Sistema de escape;
• Artículo 13 - Aparejo de resorte;
• Sección 14 - Marco principal;
• Artículo 15 - Frenos;
• Sección 16 - Estabilidad del bogie delantero + motor;
• Artículo 17 - Especificación de equipos propietarios;
• Sección 18 - Predicciones de desempeño (verificación de la Sección 1 incorporando los resultados de otros cálculos).
• Sección 1.3F - Cálculos generales - Cálculos básicos preliminares (versión final) ^[13]

Desde la finalización de los cálculos de diseño fundamentales, el equipo del proyecto 5AT se centró en el desarrollo de un plan de negocios para atraer inversiones al proyecto. Esto resultó ser una tarea difícil debido a los altos costos de desarrollo que se anticiparon para diseñar y obtener las aprobaciones ferroviarias para un prototipo de locomotora, y los limitados retornos que podrían esperarse del uso de la locomotora en trenes turísticos y de "crucero". Se concluyó que el costo de construcción de la locomotora solo podría justificarse si se "amortizaban" sus costos de desarrollo iniciales.

El equipo del proyecto también llevó a cabo una amplia investigación sobre las posibilidades de desarrollar diseños alternativos basados ​​en los conceptos de alta eficiencia y bajo mantenimiento del 5AT. Se hizo especial hincapié en las posibilidades de tracción a vapor ( a carbón ) para el transporte de carbón en países en desarrollo como Indonesia , para los que se estimó que los costos operativos habrían sido sustancialmente inferiores a los de la tracción diésel y eléctrica .

El rendimiento previsto para la locomotora 5AT se resume de la siguiente manera: ^[14]

• Velocidad máxima de funcionamiento continuo 180 km/h/113 mph (con una velocidad máxima de diseño de 200 km/h/125 mph);
• Potencia máxima en la barra de tracción de 1.890 kW/2.535 CV a 113 km/h/70 mph;
• Relación potencia-peso de 12 kW por tonelada (en la barra de tiro);
• Eficiencia térmica máxima de la barra de tiro 11,8% (eficiencia indicada 14%);
• Autonomía operativa entre recargas de combustible 925 km (575 mi) y entre recargas de agua 610 km (380 mi) en "condiciones promedio";
• Autonomía operativa entre recargas de combustible 552 km (343 mi) y entre recargas de agua 367 km (228 mi) a máxima velocidad y potencia de funcionamiento.

Las predicciones de rendimiento anteriores se basaron en varios avances técnicos, desarrollados principalmente por el ingeniero LD Porta , todos los cuales se han probado en la práctica, en la mayoría de los casos en el SAR Clase 26 de Wardale "The Red Devil" y se describen en el libro de Wardale ^[15] sobre el tema. Estos avances se resumen de la siguiente manera:

• Presión alta de la caldera: 2100 kPa (305 psi);
• Temperatura de sobrecalentamiento alta: 450 °C;
• Sistema de escape Lempor para minimizar la contrapresión del cilindro;
• Precalentamiento del agua de alimentación;
• Precalentamiento del aire de combustión;
• Grandes tuberías de vapor, pasajes y cofres de vapor aerodinámicos;
• Válvulas grandes y puertos de válvulas para facilitar el libre flujo de vapor dentro y fuera de los cilindros;
• Carrera de pistón larga para minimizar la masa del pistón y las fugas de vapor;
• Pistones y válvulas equipados con anillos de calidad diésel para reducir las fugas de vapor;
• Tolerancias estrictas en todos los aspectos (equivalentes a los estándares diésel modernos);
• Aislamiento de altísima calidad, fijado permanentemente en su lugar, para minimizar las pérdidas de calor;
• Sistema de lijado por aire y perfiles de llanta de adherencia mejorada para controlar el deslizamiento de las ruedas;
• Frenos de abrazadera en todas las ruedas para mejorar el rendimiento de frenado y reducir las distancias de frenado;
• Movimiento ultraligero (bielas, pistones y válvulas de pistón) para minimizar las fuerzas de inercia y, por tanto, los requisitos de equilibrio (y, por tanto, el golpe de martillo en la pista).

Además, la locomotora habría incorporado las siguientes características que habrían minimizado sus necesidades de mantenimiento y aumentado su confiabilidad:

• Diseño de componentes mejorado mediante CAD/CAM para garantizar tolerancias estrictas y un ajuste exacto;
• Análisis de tensión de elementos finitos de todos los componentes críticos para determinar con precisión los niveles de tensión en los componentes críticos;
• Mejores materiales, incluidos cojinetes, lubricantes, componentes de desgaste, aislamiento, etc.
• Reemplazo de pernos y remaches siempre que sea posible con conexiones soldadas, eliminando la posibilidad de que los componentes se aflojen.
• Diseño simple de dos cilindros para minimizar la cantidad de componentes móviles.
• No hay componentes inaccesibles.
• El uso de reglas AAR cuando sea apropiado, siendo las reglas de la Asociación Americana de Ferrocarriles generalmente las reglas de diseño más sólidas cuando se deben utilizar métodos empíricos.
• Cojinetes de rodillos en todos los ejes, muñequillas, mecanismo de movimiento y de válvulas, lo que proporciona un desgaste casi nulo y una vibración mínima;
• Cuñas autoajustables en todas las cajas de grasa de transmisión y acopladas para eliminar espacios entre la caja de grasa y el bastidor, para evitar golpes y vibraciones asociados con el desgaste de la caja de grasa;
• Soportes de bocina robustos para minimizar los riesgos de agrietamiento del marco en las esquinas superiores de las bocinas;
• Tribología mejorada de válvulas y cilindros para minimizar el desgaste de anillos y revestimientos;
• Varillas de cola en los pistones para reducir el desgaste de los anillos del pistón y del cilindro;
• Caldera totalmente soldada: elimina los problemas causados ​​por las costuras remachadas y los tirantes atornillados. No hay posibilidad de fugas ni fragilización cáustica ;
• Tratamiento eficaz del agua de caldera que prácticamente elimina el mantenimiento de la caldera.
• Diseño superior del soporte de la caja de fuego para minimizar la incidencia de fracturas en los soportes;
• Engranaje de tracción rígido para eliminar el 'estampido' y las vibraciones;
• Tapones fusibles para cámaras de combustión de tipo "gota": más seguros que los tapones habituales rellenos de plomo;
• Acero resistente a la corrosión para barco auxiliar y caja de humo;
• Conexiones caldera/bastidor mejoradas para aumentar la rigidez y reducir la flexión del bastidor;
• Frenos de abrazadera para minimizar las cargas en el eje y en los cojinetes del eje debido a las fuerzas de frenado;
• Sistema centralizado de dispensación de lubricante para la lubricación automática de todas las superficies deslizantes, etc.;
• Revestimientos de válvulas enfriados con vapor saturado para proteger los lubricantes de temperaturas extremas asociadas con el vapor sobrecalentado.

En marzo de 2012, tras once años de desarrollo, se tomó la decisión de suspender el proyecto debido a la falta de apoyo financiero. ^[16] En el estudio de viabilidad del proyecto, se estimó que la financiación necesaria para completar el diseño detallado, la fabricación, el montaje, las pruebas y las aprobaciones de la línea principal para un prototipo de locomotora era de poco más de 10 millones de libras esterlinas a precios de 2010. Sin embargo, se estimó que las locomotoras de "producción" posteriores costarían alrededor de 2,5 millones de libras esterlinas, un coste que podría haberse justificado por los beneficios previstos del transporte de trenes de crucero y turísticos de lujo de alta velocidad para los que estaba destinado el concepto. Tras la suspensión del proyecto, el grupo de diseño se reformó como Advanced Steam Traction Trust para proporcionar recursos de ingeniería para proyectos alternativos, ya sea en forma de nuevos diseños o en mejoras de los diseños existentes. ^[17]

• Tecnología avanzada de vapor
• André Chapelon
• Livio Dante Porta
• Locomotoras de vapor del siglo XXI

• Confianza avanzada en tracción a vapor
• La página definitiva de Steam de Hugh Odom