mini|300px|Locomotora compuesta Maffei Bavarian S 3/6. En primer plano, se pueden ver la válvula de distribución (arriba, de menor diámetro) y el cilindro de baja presión (abajo). (Centro del Transporte del Museo Alemán de Múnich)
Una locomotora compuesta (en ocasiones se utiliza directamente el término inglés compound para designarla) es una locomotora de vapor que funciona con un motor compuesto, un tipo de máquina de vapor en la que el vapor se expande en dos o más etapas. Este sistema se aplicó a distintos tipos de máquinas de vapor, y se extendió a los motores marinos, que contaban con dos o tres etapas."The Pictorial History Of Steam Power", J.T.Van Riemsdijk and Kenneth Brown, 1980 Octopus Books Limited, , p.101
La composición se empezó a generalizar en las locomotoras desde principios de la década de 1880, y en la década de 1890 se estaba volviendo una técnica bastante común. Se construyeron grandes cantidades de máquinas compuestas, en su mayoría de dos y de cuatro cilindros, especialmente en Francia, Alemania, Austria, Hungría y los Estados Unidos. Su aceptación decayó posteriormente debido a problemas de mantenimiento y porque el sistema de sobrecalentamiento permitía obtener eficiencias similares a menor costo. Sin embargo, el Ferrocarril de Norfolk y del Oeste continuó construyendo locomotoras Mallet compuestas hasta 1952.
Introducción En la disposición habitual de un motor compuesto, el vapor se expande primero en uno o dos cilindros de alta presión (AP), y tras haber cedido parte del calor y perdido presión, se descarga en un cilindro (o más) de baja presión (BP), con un volumen más amplio, incorporando así a la generación de energía motriz la parte de expansión del ciclo termodinámico. Se puede decir que los cilindros funcionan en "serie" en oposición a la disposición normal de una locomotora de expansión simple, donde funcionan en "paralelo". Para equilibrar los empujes de los distintos pistones de una máquina compuesta, la relación de volumen entre los cilindros AP:BP, debe determinarse cuidadosamente, generalmente aumentando el diámetro del cilindro BP y/o alargando su carrera. En motores sin condensación, la relación de volumen AP:BP es generalmente 1:2¼. En locomotoras con engranajes, los volúmenes de los cilindros pueden mantenerse más o menos idénticos aumentando la velocidad del pistón de BP. El término compuesto puede referirse a cualquier motor de expansión múltiple,Steam-Engine Theory And Practice, William Ripper, Third Edition, Longmans, Green, And Co., 39 Paternoster Row, London, chapter VII Compound Engines acompañado por los calificativos doble, triple o cuádruple. Por ejemplo, la American Locomotive Company y el Ferrocarril de Delaware y Hudson construyeron en 1933 una locomotora compuesta experimental de triple expansión llamada L. F. Loree."Perfecting The American Steam Locomotive", J. Parker Lamb 2003, , p. 75
Principio de funcionamiento mini|left|Sistema de funcionamiento de una máquina de vapor compuesta Vauclain mini|El prototipo 231 PLM 6001 puso en evidencia el interés por las máquinas compuestas mini|Con sus cilindros de alta presión internos, las 241 A del Ferrocarril de París a Lyon y al Mediterráneo precedieron a las 241 P de la SNCF Los principales beneficios que se buscan con la composición son el consumo reducido de combustible y agua más una mayor relación potencia/peso debido a una mayor expansión en el cilindro antes de que se abra la válvula de escape, lo que produce una mayor eficiencia. Las ventajas adicionales incluyen un par más uniforme y, en muchos casos, cualidades superiores de circulación, con el consiguiente menor desgaste de las vías y del tren de rodaje. Cuando se combinaban rampas pronunciadas y cargas por eje bajas, la locomotora compuesta a menudo se consideraba la solución más viable. El diseño exitoso de una locomotora compuesta exige una comprensión firme de la termodinámica de los fluidos, aunque con frecuencia no ha sido así, y muchos antiguos diseños han estado lejos de su optimización. Esto es especialmente cierto para las locomotoras construidas en los primeros años del . El problema no solo afectó a las máquinas compuestas, sino que afectaba a casi todas las locomotoras debido a deficiencias de diseño relacionadas con los largos recorridos del vapor dentro de las máquinas, particularmente sensibles a la caída de temperatura y a la condensación del vapor. Al reconstruir las locomotoras más antiguas a partir de 1929, el ingeniero francés André Chapelon pudo obtener a bajo costo lo que parecían mejoras casi "mágicas" en potencia y economía al optimizar el flujo a través del circuito de vapor, al mismo tiempo que disponía un sobrecalentador más grande para aumentar la temperatura inicial del vapor y retrasar la condensación en los cilindros de BP.
mini|Locomotora "Argentina", diseñada por Livio Dante Porta en la década de 1940
Para evitar que se produjera una condensación brusca, el Ferrocarril de Londres y del Noreste aplicó el sistema de sobrecalentamiento a su caldera de tubos de agua No. 10,000 para compensar el inadecuado sobrecalentamiento del vapor de AP.La Locomotive A Vapeur, André Chapelon, Second French Edition, English Translation, 2000, , p.55 El ferrocarril París-Orleans diseñó la locomotora de demostración 2-12-0, No.160-A1 (probada entre 1948 y 1951), con sobrecalentamiento entre las etapas de AP y BP. También se instalaron camisas de vapor en ambos cilindros, un sistema que Chapelon pensaba que era la primera vez que se aplicaba a una locomotora compuesta. El sistema de sobrecalentamiento también fue estudiado por el ingeniero argentino Livio Dante Porta en su prototipo 4-8-0 reconstruido: 'La Argentina' (probado casi al mismo tiempo en Argentina). Los defensores de la expansión simple argumentaban que el uso del corte temprano en el cilindro, expandiendo así pequeñas cantidades de vapor en cada carrera del pistón, evitaba la necesidad de la complicación y el gasto inicial de adoptar un motor compuesto más complejo o de expansión individual con múltiples cilindros; lo que sigue siendo un debate abierto.
Configuraciones compuestas Hay muchas configuraciones, pero se pueden definir dos tipos básicos, de acuerdo con la forma en que las carreras de los pistones de AP y BP se escalonan y, por lo tanto, si el escape de AP puede pasar directamente de AP a BP (compuestos de Woolf) o si las fluctuaciones de presión requieren un "espacio de amortiguación intermedio " en forma de una caja de vapor o tubería conocida como receptor (en los denominados motores compuestos receptores).
El problema eterno con los motores compuestos es el arranque: para que todos los cilindros soporten su peso, es aconsejable tener una forma de cortocircuitar los cilindros de AP y obtener vapor a presión reducida directamente para los cilindros de BP. Por lo tanto, muchos de los sistemas compuestos patentados estaban asociados con disposiciones particulares para el arranque. El sistema de 4 cilindros de Glehn probablemente sigue siendo el más sofisticado de todos, con un corte independiente de AP y BP y una válvula giratoria, llamada una linterna, que permite el trabajo independiente o en combinaciones de grupos de AP y BP. La mayoría de los otros sistemas emplean válvulas de arranque de varios tipos. Otro criterio es si los engranajes de válvula de los dos grupos son totalmente independientes o están unidos de alguna manera.
Configuraciones mini| Locomotora compuesta Vauclain de cuatro cilindros Milwaukee Road Clase A2 No. 919
Máquina compuesta de dos cilindros
Dos cilindros, alternando alta y baja presión - "locomotora de expansión continua" (Samuel/Nicholson) Uno de alta presión, uno de baja presión: generalmente se denominan diseños de "compuesto cruzado" y existen muchas variaciones (Mallet-1; Vauclain; Von Borries-1; Lindner; Gölsdorf-1; Herdner)
Máquina compuesta de tres cilindros
Dos de alta presión, uno de baja presión (Francis William Webb) Uno de alta presión, dos de baja presión (Sauvage; Klose; Weyermann; Walter Mackersie Smith; Samuel Waite Johnson; Richard Deeley; André Chapelon, Livio Dante Porta)
Máquina semi-compuesta de tres cilindros
Uno de alta presión, dos de baja presión; AP de la caldera de AP sobrecalentada, BP del escape de BP mezclado con la caldera BP sobrecalentada (Pacífico Canadiense)"Canadian Pacific's Mighty No. 8000", Donald M. Bain and Jack D. Leslie, British Railway Modellers of North America, , p.13
Máquina de triple expansión de tres cilindros (proyectada)
Uno de alta presión, uno de presión intermedia, uno de baja presión (Livio Dante Porta)
Máquina compuesta de cuatro cilindros de triple expansión
Uno de alta presión, uno de presión intermedia, dos de baja presión (locomotora L. F. Loree)
Máquina compuesta de cuatro cilindros
Dos de alta presión, dos de baja presión (de Glehn; Barbier; Von Borries-2; Golsdorf-2; Vauclain-1 y 2, locomotoras articuladas Mallet)
Máquina compuesta de seis cilindros
Dos de alta presión, cuatro de baja presión (Chapelon)
También podrían clasificarse según el sistema de transmisión empleado: a más de un eje, en línea concentrada en un eje o en tándem con AP y BP accionando una manivela común. Este último sistema fue muy empleado en los EE. UU. en los primeros años del , especialmente en el Ferrocarril de Santa Fe.
Historia mini|Locomotora LNWR 66 «Experiment» de tres cilindros, 1882 mini|La Nord 701 fue la primera locomotora compuesta con cuatro cilindros mini|Locomotora articulada Nord 031+130 T concebida por Gaston du Bousquet mini|Máquina 230 Ceinture con sus cilindros de AP y BP en serie Primeros experimentos Jonathan Hornblower, nieto de uno de los constructores de motores de Newcomen en Cornwall, patentó un motor de balancín de doble cilindro recíproco compuesto en 1781. James Watt le impidió desarrollarlo aún más, alegando que se habían quebrantado sus propias patentes.Encyclopædia Britannica Online, retrieved 29 March 2007.
El ingeniero británico Arthur Woolf inventó en 1804 un método para disminuir la magnitud del calentamiento y enfriamiento continuo de una máquina de vapor de expansión simple, reduciendo su ineficiencia. Patentó el motor estacionario compuesto de alta presión Woolf en 1805.
Aplicación a locomotoras La primera patente de una de estas máquinas se le concedió a Thomas Craddock, quien registró el diseño de una locomotora compuesta de condensación en 1846.Colvin, Fred. (1900) The Compound Locomotive New York: Angus Sinclair Co.
En 1850 se le otorgó la patente del Reino Unido número 13029 a James Samuel, ingeniero del Ferrocarril de los Condados del Este, por una "locomotora de expansión continua", una configuración de locomotora de vapor compuesta, aunque la idea parece provenir de un tal John Nicholson, un maquinista de la línea. Con este sistema, los dos cilindros alternaban como alta y baja presión, con el cambio a la mitad de cada carrera. Dos locomotoras, una de pasajeros y una de mercancías, se convirtieron a este sistema, pero no se hicieron más pruebas.
Si la locomotora anterior es, estrictamente hablando, una compuesta está sujeto a debate: la primera aplicación reconocible de un motor compuesto a una locomotora fue en la máquina No 122 del Ferrocarril del Erie, una locomotora tipo estadounidense ordinaria equipada en 1867 con cilindros compuestos en tándem, siguiendo la patente n° 70341 de J. F. Lay.White, Jr. John H. (1968) A History of the American Locomotive, Its Development: 1830-1880 Baltimore: Johns Hopkins Press; Dover reprint 1979, pp 209; 210. No se sabe nada del desempeño posterior de esta locomotora y no parece haber sido reproducida.
Motor compuesto cruzado