La locomotiva a vapore è un veicolo ferroviario azionato da un motore a vapore e destinato alla trazione ferroviaria di carri merci o carrozze passeggeri. Inventata da diversi tecnici (tra cui Richard Trevithick e George Stephenson) all'inizio del XIX secolo, la locomotiva a vapore rivoluzionò il sistema dei trasporti su rotaia permettendo il passaggio da quelli a trazione animale a quelli a trazione meccanica.
Sostituita da altri sistemi di trazione nel XX secolo (la trazione elettrica e la trazione endotermica) a causa della bassa potenza e del modesto rendimento, la trazione a vapore resta fondamentale nello sviluppo della tecnologia anche per il contributo da essa dato alla termodinamica.
Nella tecnica ferroviaria si definisce "locomotiva" l'insieme della motrice e del tender"La locomotiva è costituita da tre fondamentali gruppi di organi: a) la caldaia, che comprende il forno, la caldaia propriamente detta e il camino; b) lapparato distributore e motore ed i relativi meccanismi; c) il carro, che comprende il telaio ed il rodiggio." .. Qualora le scorte di acqua e di combustibile non vengano trasportate su un veicolo apposito ma sulla macchina, il mezzo viene denominato locomotiva-tender (o locotender)"La necessità di potere compiere lunghi percorsi senza fermate, o almeno senza frequenti rifornimenti intermedi, comporta che al veicolo motore (macchina) ne sia aggregato un altro (tender) destinato a trasportare le scorte di combustibile e di acqua. Il complesso macchina + tender costituisce la locomotiva. Nei casi di impiego su percorsi brevi, oppure ove interessi l'utilizzazione indifferente nei due sensi, o infine quando sia opportuno concentrare il peso degli assi accoppiati, come in certi servizi di montagna e di manovra, le scorte di carbone e di acqua, opportunamente ridotte, vengono invece sistemate sulla macchina stessa, che assume la denominazione di locomotiva-tender." ...
Caratteristiche
Una locomotiva a vapore è una macchina termica ad alta pressione che utilizza il ciclo Rankine in un motore a combustione esterna, che impiega la combustione nel generatore di vapore per produrre vapore acqueo con cui è alimentata e azionare quindi un motore a vaporePer questa ragione essa rientra nel sottoinsieme della locomotiva termica. Cf , , , .. Il moto alternativo da esso generato viene trasmesso con il meccanismo biella-manovella, alle ruote e da esse trasformato nel moto circolare che serve a far avanzare la locomotiva.
L'autonomia della locomotiva dipende dalla quantità di combustibile e d'acqua presenti a bordo. Al tempo del suo uso generale ciò implicava che gli impianti di rifornimento del combustibile e dell'acqua dovessero essere collocati a intervalli regolari tali da consentire, anche nelle condizioni di funzionamento più sfavorevoli, che la locomotiva potesse viaggiare senza bisogno di rifornimenti intermedi non necessari. La necessità di disporre di adeguate e continue riserve idriche in prossimità dell'infrastruttura ferroviaria rappresentò uno dei maggiori vincoli allo sviluppo della rete ferroviaria, al quale si fece fronte avvicinando la linea ferroviaria ai corsi d'acqua o alle sorgenti e allacciando i rifornitori agli acquedotti civici o costruendone di nuovi.Per ovviare alla scarsità d'acqua si costruirono anche locomotive con condensatori del vapore di scarico..
Nonostante il modesto rendimento termico (mai superiore al 10% teorico, in realtà compreso tra il 4 e il 7%.) la locomotiva a vapore ha tenuto a lungo testa agli altri sistemi di trazione per la sua semplicità costruttiva e di condotta derivante, in gran parte, dalla propria possibilità di adeguare quasi automaticamente il proprio regime di funzionamento alle caratteristiche della linea e, quindi, dei servizi grazie al tiraggio forzato..
Le locomotive a vapore vengono suddivise in locomotiva per il servizio di linea (ulteriormente distinte in locomotive per treno viaggiatori e per treno merci), in grado di sviluppare potenze fino a qualche migliaio di kW e di trainare treni pesanti fino a qualche migliaio di tonnellate a velocità elevate, e locomotiva da manovra, capaci di erogare potenze di qualche centinaio di kW pur muovendosi a bassa velocità con frequenti avviamenti e arresti. A esse si aggiunge l'automotrice a vapore, che erano veicoli per il trasporto di passeggeri, cioè locomotive dotate anche di compartimenti adibiti al trasporto di bagagli, collettame e posta. Vi furono anche gruppi di automotrici destinate esclusivamente al trasporto delle citate merci. dotati di un motore e degli altri organi tipici delle locomotive adibite al servizio di linea. Le automotrici erano utilizzate su linee a bassa domanda di trasporto..
Storia
In Inghilterra
La locomotiva a vapore comparve agli inizi dell'Ottocento in Inghilterra, come sostituto meccanico del cavallo per il traino di convogli di carrelli di carbone nelle miniere e presto se ne intuirono le potenzialità nonostante i primi prototipi avessero molti difetti e la produzione di vapore fosse piuttosto scarsa dato che le caldaie usate, a singola canna fumaria, erano poco di più che una grossa pentola posta sul fuoco. Le prime caldaie a tubi di fumo furono sviluppata da Marc Seguin nel periodo 1828-1833. La grande innovazione che la locomotiva a vapore portò fu soprattutto il fatto che era molto più veloce, fruibile e comoda rispetto al mezzo finora usato, ossia il cavallo.
La prima locomotiva a vapore a correre su dei binari alla testa di un convoglio merci e passeggeri fu, nel febbraio 1804, la Penydarren di Richard Trevithick.
Tuttavia la prima locomotiva a vapore moderna fu la Rocket di George Stephenson e di suo figlio Robert che proposero, alla gara mondiale indetta dalla Società per la Strada Ferrata da Liverpool a Manchester, il forno circondato dall'acqua - anche se ancora non all'interno della caldaia a struttura tubolare di Seguin con tiraggio forzato dei fumi mediante il vapore di scarico dei cilindri che non erano più in posizione verticale. Vinse la gara di Rainhill ma non venne adottata per l'esercizio regolare sulla ferrovia suddetta. La Rocket era già una macchina moderna quasi completa, le cui soluzioni tecniche si sarebbero riviste e migliorate in seguito sui progetti successivi, la Planet prima, la prima locomotiva con tutte le caratteristiche della locomotiva moderna, e la Patentee poi, che rappresentò la classica locomotiva a vapore.Ferrovie dello Stato, La locomotiva a vapore Vol VI, capitolo I
Le prime locomotive a vapore avevano una struttura piuttosto rudimentale con la caldaia che costituiva un elemento strutturale della macchina; un carro costituito da longheroni, spesso in legno con fodere in ferro, e traverse in ferro su cui era montata la caldaia con forno e fumaiolo, una coppia di cilindri motori collegati con bielle all'unica ruota motrice e i comandi relativi alla condotta che era appannaggio del macchinista posto su un semplice predellino o una piccola piattaforma; completava il tutto un carro agganciato con una grossa botte per l'acqua e un cumulo di coke; Il carbone fu utilizzabile fuori dalle ferrovie minerarie solo quando si introdusse il voltino nel forno che permetteva una migliore combustione dei fumi e quindi scarichi più puliti. Ricordiamo che tra i requisiti della gara di Rainhill c'era quello che la locomotiva "consume its own smoke", letteralmente "consumare i propri fumi" ed il fumaiolo bianco serviva proprio a dare questa idea di pulizia.
Il gancio di trazione era costituito da una catena a 3 anelli ed i respingenti erano solo dei tamponi di legno sulle testate.
Il rodiggio era in genere 1-1-0 o 1-1-1, in qualche caso 2-1-0. Nella seconda metà dell'Ottocento le macchine con un solo asse motore cominciarono a dimostrarsi insufficienti come potenza e pertanto venne aggiunto un secondo asse motore accoppiato con bielle allo scopo di contenere entro limiti accettabili il maggior peso delle caldaie e dei meccanismi più grandi e, contemporaneamente, scaricando su due assi lo sforzo di trazione se ne aumentavano le prestazioni entro i limiti di aderenza. I progetti europei del periodo prevedevano che le macchine avessero anche un asse portante anteriore o posteriore.
Una delle prime caratteristiche progettuali fu anche quella dell'uso di ruote di piccolo diametro per la trazione di merci e di ruote di grande diametro per le macchine passeggeri atte a maggiore velocità. La prima scelta era dettata dalla necessità di disporre di una maggiore forza di trazione, la seconda era dettata invece dalla necessità di contenere entro limiti accettabili il numero di giri dell'albero motore.
In America In America si affermò il carrello portante anteriore a due assi dando origine al rodiggio 2-2-0 noto anche come American o American Standard. In seguito da questa architettura si svilupparono i più noti rodiggi: per avere più potenza venne sviluppato il rodiggio 1-3-0 Mogul che, nei primi modelli americani, si presentava con l'asse motore centrale privo di bordino; allo scopo di incrementare la superficie del focolaio e sostenerlo si aggiunse un carrello posteriore, ottenendo il rodiggio 2-2-1 (Atlantic), e così via, aggiungendo assi motori o assi al carrello portante.
Nel 1906 in Baviera fu costruita la locomotiva S 2/6 dal rodiggio 2-2-2 con prestazione di tutto rispetto e una velocità di 150 km/h ma rimase solo un prototipo; l'era delle macchine a due assi accoppiati volgeva ormai al tramonto dato che le composizioni richieste dal servizio ferroviario erano sempre più pesanti. L'anno dopo infatti le ferrovie bavaresi iniziarono a immettere in servizio le più prestanti (anche se meno veloci) S 3/6 dal rodiggio 2-3-1.
Le macchine a tre assi accoppiati furono le regine del periodo d'oro della trazione a vapore e la regina per antonomasia fu la Pacific, dal rodiggio 2-3-1 (o per le ferrovie anglosassoni 4-6-2); solo in Nord America queste locomotive vennero più tardi soppiantate da macchine con quattro assi motori per treni rapidi. Sono Pacific le macchine più prestanti e detentrici di primati di velocità come, il gruppo 01 delle DRG, la classe A4 della LNER (di cui fa parte Mallard), le efficientissime Chapelon.
La tecnica, contemporaneamente all'incremento degli assi, sviluppò dispositivi per aumentare il rendimento termodinamico dei motori a vapore al fine di ridurre i consumi e i costi e aumentando l'autonomia.
La prima innovazione fu l'adozione della doppia espansione, che venne realizzata in varie fogge cercando di ottenere i migliori risultati in fatto non solo di rendimento termodinamico ma di economia costruttiva, bilanciamento delle parti in movimento e continuità dello sforzo di trazione.
Una seconda innovazione fu l'adozione del vapore surriscaldato che realizzava economie di esercizio paragonabili alla doppia espansione ma permetteva di usare una meccanica meno complessa e di più facile guidabilità. Di pari passo con l'adozione del vapore surriscaldato ci fu l'abbandono del cassetto piano di distribuzione, usato fino ad allora, in favore del cilindro di distribuzione in cui non erano più significativi gli effetti che il vapore ad elevata temperatura produceva sul lubrificante.
L'uso di ambedue questi meccanismi fu limitato e applicato nelle sole macchine in cui si cercò il massimo dell'efficienza. In Italia solo le locomotive del gruppo 746 adottarono questa soluzione, ma un difetto nella progettazione del motore a doppia espansione ne limitò la capacità di raggiungere velocità elevate.
Infine, come ultima manovra per migliorare il rendimento termodinamico, si adottarono preriscaldatori il cui compito era sfruttare il calore dei gas di scarico per elevare la temperatura dell'acqua da immettere in caldaia; un esempio di tali dispositivi fu il preriscaldatore Franco-Crosti.