Una catarata era un dispositivo regulador de velocidad utilizado en los primeros motores de viga de simple efecto , en particular los motores atmosféricos y los motores de Cornualles . Era una especie de reloj de agua .
La catarata es claramente diferente del regulador centrífugo , en que no controla la velocidad de la carrera del motor, sino más bien el tiempo entre carreras.
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La instalación típica de una máquina de viga construida en una casa se extendía por cuatro pisos. El cilindro y el puesto de trabajo habitual del maquinista se ubicaban en la "cámara inferior", aproximadamente al nivel del suelo. Por encima de esta se encontraba la "cámara intermedia", con la tapa superior del cilindro y la "boquilla superior" (la caja de válvulas superior), y por encima de esta la "cámara superior" o cámara de viga. [3] Las cataratas se ubicaban en la parte más baja de la casa de máquinas, en una cámara debajo de la cámara inferior, junto con el tubo de escape. Este espacio era de difícil acceso y no se visitaba en condiciones normales de funcionamiento.
El mecanismo de válvulas (o 'engranaje de trabajo') de un motor Newcomen o Cornish se basa en la varilla de bujía . Esta es una varilla vertical, colgada de la viga, y que se mueve en paralelo al pistón. Los taqués ajustables están unidos a esta varilla. Estos taqués golpean largas palancas de hierro curvadas o 'cuernos' que se llevan en tres ejes horizontales o 'mandriles'. [i] Cada mandril hace funcionar una de las válvulas del motor. Para los ciclos Cornish , estas válvulas son la entrada de vapor superior a la parte superior del cilindro, la válvula de equilibrio que une las partes superior e inferior del cilindro y las válvulas de inyección de agua de condensación y escape inferiores, que comparten un mandril. [4] A diferencia de la mayoría de las otras máquinas de vapor, estas máquinas podían funcionar de forma intermitente: haciendo una sola carrera antes de detenerse y esperando a que las válvulas se reiniciaran nuevamente. [5] La velocidad de cada carrera de potencia o 'entrada en el interior' era una característica del motor y no se variaba fácilmente, pero no había necesidad de que las máquinas funcionaran continuamente, carrera tras carrera. [4] [6] Esto contrastaba directamente con la máquina de viga rotativa y la naturaleza rotatoria de casi todas las demás máquinas de vapor. Con el ciclo Newcomen original, la velocidad de la carrera de retorno variaba según la presión de la caldera, aunque esto todavía no afectaba la fuerza o la velocidad de la carrera de potencia. [7]
El uso de una catarata podría permitir que un motor funcione a solo un tercio de su velocidad no regulada. [8] Cuando la carga de bombeo era variable, las cataratas también podrían conectarse y desconectarse según fuera necesario, lo que permite que el motor funcione a plena velocidad durante un período y luego se detenga en el medio. [9]
La catarata en sí se parecía a una pequeña bomba de émbolo . [2] Era una caja de hierro dentro de una cisterna llena de agua, con un émbolo o pistón colocado en la parte superior y presionado hacia abajo por un peso. El agua dentro de la bomba solo podía escapar a través de un pequeño grifo o válvula. [10] [11] A medida que el émbolo caía gradualmente, su movimiento se transmitía hacia arriba mediante una palanca oscilante y una varilla hasta el mecanismo de válvulas en la cámara intermedia. Una vez que la varilla se había elevado lo suficiente, esto abría la primera válvula para admitir vapor en la parte superior del cilindro, comenzando una nueva carrera. [ii]
Una vez que se había iniciado el trazo, el motor empujaba hacia abajo la palanca oscilante de la catarata, lo que elevaba el émbolo, que actuaba como una bomba de succión dentro de la catarata para rellenar la caja del émbolo, a través de una válvula de aleta desde la cisterna circundante. [13] La cisterna se mantenía llena de agua gracias a la bomba que accionaba el propio motor.
La válvula de salida de agua se controlaba mediante una varilla desde la cámara inferior, que era utilizada por el conductor del motor para controlar la velocidad de trabajo, según el trabajo requerido. [13]
La varilla de accionamiento de la catarata también tenía un ajustador de tornillo, que actuaba para variar el tiempo de inyección de agua (Newcomen) o la sincronización entre las válvulas de admisión y escape (Cornish). [13] Esto podía usarse para proporcionar un tiempo de condensación más largo y efectivo, si el suministro de agua de condensación estaba caliente, como en verano. Sin embargo, este ajuste parece haber sido poco comprendido y poco utilizado por los maquinistas. [10]
Las cataratas aparecieron por primera vez en los motores Newcomen en Cornualles, aunque se desconoce su inventor. Eran conocidas en la época de Smeaton , y pueden ser otro de los desarrollos del motor de Newcomen del que él fue responsable. [6] James Watt las encontró en su viaje a Cornualles en 1777. [14] Eran de un tipo más simple, estas primeras cataratas o "caja de sorpresas" eran una simple caja giratoria: una caja de madera sobre un pivote se llenaba de agua a través de un grifo ajustable. [6] Cuando la caja se llenaba lo suficiente como para desequilibrar, se activaba la válvula de inyección del motor.
Boulton y Watt utilizaron el sencillo diseño de catarata con forma de caja giratoria durante algunos años más, hasta alrededor de 1779. [15] [16] Después de esto, se utilizaron otros diseños, incluida una catarata de agua en la que se utilizaba la misma agua y se reciclaba de forma continua y también una catarata de aire que utilizaba un fuelle circular. Una catarata de aire de este tipo se suministró para la mina Ale and Cakes. El diseño de la catarata con bomba de émbolo había aparecido en Cornualles en 1785, pero no fue una invención de Watt. [15]
El término "catarata" se convirtió en sinónimo de amortiguador , al menos en los casos en que se asociaba con las máquinas de vapor y sus reguladores. Se utilizaban como dispositivo de amortiguación para evitar la excesiva sensibilidad con los reguladores centrífugos. [17]
Las cataratas también se utilizaban como dispositivo de seguridad contra exceso de velocidad para bombas de agua de acción directa. [iii] Se colocaba un balancín o palanca "diferencial" entre el vástago del pistón de la bomba y una catarata ajustada a la velocidad de funcionamiento normal de la bomba. Si la bomba aceleraba de repente, debido a una explosión o algo similar, el pistón adelantaba a la catarata y la acción de la palanca diferencial cerraba la válvula de entrada de vapor de la bomba y la detenía, lo que limitaba los posibles daños. [18]
La catarata, como la mayoría de los reguladores, es un ejemplo de un servomecanismo . Sin embargo, a diferencia del regulador centrífugo Watt más conocido, este es un control de bucle abierto , en lugar de bucle cerrado . La catarata funciona a su propia velocidad, pero no mide la velocidad resultante del motor. La catarata también se ha descrito como un "reloj de agua". [15] Esto supone que la relación entre el funcionamiento de la catarata y la velocidad del motor es fija, lo que es una suposición válida para un motor de viga, ya que la catarata controla el tiempo de la carrera del motor, en lugar de una válvula de aceleración o potencia variable. Cuando un regulador controla una válvula de aceleración de este tipo, como en el caso del regulador Watt, la velocidad del motor depende de una relación compleja e impredecible entre la carga del motor, la posición de la válvula y la eficiencia variable del motor. Dichos reguladores deben utilizar un control de bucle cerrado si quieren mantener una regulación eficaz y precisa.
Una ventaja de la naturaleza independiente y de circuito abierto del control de la catarata era que se podían ajustar dos motores para que funcionaran sincronizados, pero en contrafase . En el caso de los motores de bombeo, esto daba una salida más uniforme a su bombeo. [19]
Aunque el regulador centrífugo ya era conocido por su uso en molinos de agua y de viento , no fue hasta 1788 cuando Watt fue el primero en aplicarlo a una máquina de vapor. [20] Se trataba de la « Lap Engine », una de las primeras máquinas rotativas que hoy se conserva en el Museo de Ciencias de Londres .
En el caso de los motores rotativos, era necesario controlar la velocidad a la que se movía el motor a lo largo de su carrera, no solo variar el tiempo entre carreras. Esto requería el uso de una válvula de mariposa en el suministro de vapor, controlada por el regulador. Como la carga en los motores de molino y usos similares podía variar, también era necesario un control de circuito cerrado, como el regulador centrífugo basado en la velocidad del motor. [20] Por lo tanto, la catarata no se utilizó en los motores rotativos, ni siquiera en los lugares donde todavía se utilizaban motores de bobinado de Cornualles de simple efecto. [21]
Las máquinas de Cornualles no se podían controlar con una válvula de mariposa, ya que su ciclo de funcionamiento dependía del tiempo de condensación más que de un suministro de vapor regulado. Las máquinas de viga no rotatoria tampoco tenían medios sencillos para accionar un regulador centrífugo. Por estas razones, la catarata permaneció en servicio tanto tiempo como la máquina de Cornualles. [22]
