Una locomotiva compound è una locomotiva a vapore di qualunque tipologia e forma che è equipaggiata con un motore a vapore a doppia o multipla espansione detto motore compound.
Considerazioni generali
Un motore compound è caratterizzato essenzialmente dal fatto che il vapore viene fatto espandere prima in uno o due cilindri detti ad alta pressione (AP) poi, dopo aver perduto calore e pressione, anziché essere inviato allo scarico viene ulteriormente utilizzato in uno o più cilindri di grandi dimensioni detti a bassa pressione (BP) estendendo così l'area del ciclo utile. Per evitare lo sbilanciamento di forza motrice tra i due lati (bassa e alta pressione) del motore è necessario un calcolo accuratissimo delle dimensioni dei cilindri o della parzializzazione del vapore immesso. La tecnica più utilizzata è quella dell'aumento del diametro del cilindro a bassa pressione in modo da compensare con la maggiore superficie il calo di pressione del vapore. Una soluzione alternativa, o utilizzata insieme alla precedente, è quella di prevedere diverse corse del pistone per i cilindri a bassa e ad alta pressione; in questo caso la minore pressione fornita viene compensata dal maggiore lavoro prodotto in un cilindro più lungo. Una limitazione del concetto viene determinata dal fatto che per ragioni di sagoma limite non è possibile aumentare oltre certi limiti il diametro del cilindro a bassa pressione.
Nella massima parte dei casi il termine compound, nel caso delle locomotive a vapore, sta ad indicare le locomotive a doppia espansione ma, anche se rari, vi sono stati casi di utilizzazione di tripla espansione (ed anche quadrupla) con cilindri ad alta, media e bassa espansione; tuttavia la complicazione meccanica e la criticità del funzionamento non ne ha consigliato lo sviluppo sulle locomotive mentre furono implementati spesso dei motori a vapore marini per le navi costruite tra la fine del XIX secolo e i primi anni del XX..
Nelle applicazioni mobili (locomotive) il maggior beneficio della doppia espansione consisteva nell'economia di combustibile e di acqua e in un più favorevole rapporto peso/potenza conseguente al migliore utilizzo delle caratteristiche del ciclo in temperatura e in pressione. Tuttavia alle buone prestazioni si contrapponeva la necessità di una costante manutenzione e dell'uso di personale esperto data la più complessa tecnica di conduzione della locomotiva. Il successo del progetto di una locomotiva compound richiedeva infatti una solida conoscenza della termodinamica e delle implicazioni pratiche delle scelte tecnico costruttive e non era infrequente il fallimento o la non riuscita di progetti che buoni sulla carta si rivelavano forieri di tanti problemi nell'esercizio pratico (soprattutto nei primi tempi). Tale fatto fu alla base dell'abbandono da parte di certi settori progettuali della tecnica compound; problemi piuttosto seri erano infatti quelli dell'eccessivo calo di temperatura nel corso del ciclo di lavoro e della condensazione del vapore nel corso del passaggio più lungo.
Quasi al crepuscolo dell'era del vapore le problematiche vennero affrontate tra l'altro da André Chapelon e da Livio Dante Porta. Dal 1929 in poi Chapelon riuscì ad ottenere miglioramenti in potenza e consumo con un attento studio dei percorsi del vapore e con il sovradimensionamento del surriscaldatore per aumentare la temperatura iniziale del vapore in modo da diminuire l'effetto del progressivo raffreddamento. In seguito, al fine di mantenere una temperatura più costante durante tutto il ciclo, Chapelon applicò il ri-surriscaldamento del vapore durante il passaggio tra cilindri ad alta pressione e a bassa pressione applicando una camicia ai cilindri. La locomotiva di prova fu una macchina per treni merci gruppo 160 A1 provata tra il 1948 e il 1951. Anche in Argentina nello stesso periodo venne eseguita una serie di prove sulla locomotiva Argentina un prototipo 2-4-0 approntato da Porta mediante ricostruzione di una vecchia locomotiva.
Locomotive a doppia espansione (o compound) La doppia espansione venne adottata più tardi rispetto alla semplice espansione principalmente per il maggior peso del meccanismo motore e per la sua maggiore complicazione. Le configurazioni adottate per il motore compound delle locomotive sono diverse ma per lo più sono riconducibili a due tipologie di base: Una in cui i pistoni Alta pressione e Bassa pressione sono direttamente connessi in modo che il vapore che ha già lavorato nel cilindro AP passa direttamente ad azionare il pistone a bassa pressione. Un'altra in cui il vapore viene fatto passare attraverso un buffer prima di giungere al cilindro a bassa pressione.
Il problema più serio e gravoso per i sistemi compound è sempre stato quello dello spunto con cilindro (o cilindri, nel caso di motori a 4 cilindri) AP al punto morto e ciò ha portato a diversi metodi per inviare direttamente al cilindro a bassa pressione il vapore opportunamente parzializzato. Ciò ha portato a studiare sistemi brevettati di cut off e dispositivi di partenza particolari.
Locomotive a due, tre e quattro cilindri Le macchine a due cilindri sono le più semplici: il cilindro piccolo, ad alta pressione, sta da un lato e quello grande, a bassa pressione, sta dall'altro. La configurazione generale della macchina è simile a quella delle macchine a semplice espansione con la differenza sostanziale di una dissimmetria del blocco motore in quanto il lato a BP risulta di dimensioni maggiori e di maggiore peso. La configurazione presenta il problema dell'avviamento quando, in base alla posizione delle ruote da fermo, l'inizio della fase utile di immissione del vapore si presenta dal lato a BP. Ciò richiede speciali dispositivi di riduzione della pressione atti a permettere l'uso iniziale del cilindro a bassa pressione. Affinché la locomotiva sia equilibrata i due meccanismi ad AP e a BP devono fornire lo stesso lavoro e ciò richiede un accurato calcolo del volume del cilindro grande che dovrà essere da 2 ¼ a 2 ⅛ più grande del volume del cilindro piccolo. Un ulteriore accessorio (che ne aumenta la massa) è il cosiddetto receiver, un serbatoio tubiforme destinato a ricevere il vapore di scarico dell'alta pressione e ad alimentare il cilindro a bassa pressione. Per evitare perdite dovute alla condensazione del vapore tale dispositivo è spesso collocato all'interno della camera a fumo della locomotiva..
I limiti di sagoma delle dimensioni di una locomotiva ferroviaria impediscono la costruzione di cilindri a bassa pressione molto grandi (ciò comporterebbe anche stantuffi, aste, bielle di dimensioni eccessive): da questo è scaturita la decisione di costruire motori a tre o a quattro cilindri nel caso di locomotive di grande potenza. Delle due opzioni la preferita è stata la configurazione a 4 cilindri disposti nella maggior parte dei casi a coppie, uno piccolo e uno grande per ciascun lato accoppiati in tandem (con asta comune) o uno sull'altro con le due aste che comandano la stessa testa-croce; ambedue le configurazioni permettono l'uso di due sole bielle motrici come nelle locomotive classiche. Altra disposizione è quella con due cilindri interni e due esterni al carro della locomotiva che comandano lo stesso asse; questo dovrà essere dotato di due gomiti interni e di due manovelle esterne per ricevere il moto della quattro bielle. Le coppie di manovelle saranno calettate a 90° fra di loro (e rispettivamente opposte a coppie). Le compound a 4 cilindri in genere non hanno problemi all'avviamento e non richiedono dispositivi particolari a differenza di quelle a 2 soli cilindri..
Locomotive compound a quattro cilindri dissimmetriche Non tutte le locomotive compound a 4 cilindri hanno adottata la configurazione simmetrica del motore; in Italia ad esempio le 470, le 670 e le 680, per citare le più note, sono state costruite con i cilindri ad alta pressione da un lato e quelli a bassa pressione dall'altro disponendone due interni al telaio e due esterni con lo scopo di ottenere una maggiore semplicità della distribuzione (due soli distributori) e dei meccanismi relativi e quindi una minore massa complessiva. Per contro tale disposizione produce squilibrio delle masse (la maggior massa è dal lato a BP) e sforzi diversi per ciascun lato.. Questa configurazione ripropone inoltre il problema delle locomotive compound a 2 cilindri riguardo all'avviamento. Più equilibrato risulta il caso delle compound a tre cilindri nelle quali al cilindro unico, che può essere a bassa o ad alta pressione, viene fatto azionare un asse diverso da quello relativo ai due cilindri..
Problematiche principali della doppia espansione Il principale vantaggio della doppia espansione risiede nel migliore rendimento termico globale della locomotiva. Viene infatti sfruttato maggiormente il salto termico del vapore che quando esce allo scarico ha già fornito ulteriore lavoro nei cilindri a bassa pressione. Risulta tuttavia critico il passaggio intermedio del receiver nel quale specie nella stagione fredda avviene spesso un eccessivo calo di temperatura e pressione. Critico è spesso anche l'effetto detto di laminazione del vapore nel passaggio cilindri AP-collettore-cilindri BP. Problematica è anche la costruzione dei meccanismi, più complessi, e di più onerosa manutenzione. Infine è da tenere nel dovuto conto il difficile compito di ripartire equamente in tutte le situazioni il lavoro motore del blocco ad alta pressione rispetto a quello di bassa pressione.. L'adozione generalizzata del surriscaldamento ha prodotto gradualmente l'abbandono della doppia espansione in favore della, più economica, semplice espansione.
Configurazioni principali
2 cilindri compound 2 cilindri alternativamente ad alta e a bassa pressione - "a espansione continua" (Samuel/Nicholson) 1 AP, 1 BP (Anatole Mallet; Vauclain; August Von Borries; Lindner; Karl Gölsdorf; Herdner)
3 cilindri compound 2 AP, 1 BP (Francis William Webb) 1 AP, 2 BP (Sauvage; Adolf Klose; Weyermann; Walter Mackersie Smith; Samuel W. Johnson; Richard Deeley; André Chapelon, Livio Dante Porta)
3 cilindri a tripla espansione 1 AP, 1 MP, 1 BO (Livio Dante Porta)
4 cilindri tripla espansione compound 1 AP, 1 MP, 2 BP (LF Loree)
4 cilindri compound 2 AP, 2 BP (De Glehn; Barbier; Von Borries; Golsdorf; Vauclain, Mallet); per locomotive articolate
6 cilindri compound 2 AP, 4 BP (Chapelon)
Storia Esperimenti relativi alla doppia espansione furono eseguiti già all'inizio del XIX secolo da Arthur Woolf in un suo dispositivo motore a doppia espansione nel 1805. Nel 1850 James Samuel, ingegnere della Eastern Counties Railway brevettò una locomotiva ad espansione continua (una tipologia di locomotiva a vapore compound) sebbene l'idea fosse già stata espressa da John Nicholson. I due cilindri si alternavano nel funzionamento ad alta o bassa pressione mediante dispositivi opportuni; Il sistema venne applicato a locomotive, una per passeggeri e una per merci, modificandole ma rimase senza seguito Esistono tuttavia molte perplessità sul sistema se considerarlo o no un sistema compound. Il primo esempio noto di locomotiva a doppia espansione (compound) è del 1867 e riguarda la locomotiva American type n.122 della Erie Railway modificata da J.F. Lay's con l'applicazione del motore a doppia espansione che fu oggetto del brevetto n.70341. ISBN 0-486-23818-0. Le locomotive compound di Mallet