El motor de vapor de flujo único utiliza vapor que fluye en una sola dirección en cada mitad del cilindro. La eficiencia térmica aumenta al tener un gradiente de temperatura a lo largo del cilindro. El vapor siempre ingresa por los extremos calientes del cilindro y sale por los puertos del centro más frío. De esta manera, se reduce el calentamiento y enfriamiento relativo de las paredes del cilindro.
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La entrada de vapor suele estar controlada por válvulas de asiento (que actúan de forma similar a las que se utilizan en los motores de combustión interna ) que son operadas por un árbol de levas . Las válvulas de entrada se abren para admitir vapor cuando se ha alcanzado el volumen mínimo de expansión al inicio de la carrera. Durante un período del ciclo del cigüeñal, se admite vapor y luego se cierra la entrada del asiento, lo que permite la expansión continua del vapor durante la carrera, impulsando el pistón. Cerca del final de la carrera, el pistón descubrirá un anillo de puertos de escape montados radialmente alrededor del centro del cilindro. Estos puertos están conectados por un colector y tuberías al condensador, lo que reduce la presión en la cámara por debajo de la de la atmósfera, lo que provoca un escape rápido. La rotación continua del cigüeñal mueve el pistón. En la animación, se pueden ver las características de un motor uniflow, con un pistón grande de casi la mitad de la longitud del cilindro, válvulas de entrada de asiento en cada extremo, un árbol de levas (cuyo movimiento se deriva del del eje de transmisión) y un anillo central de puertos de escape.
Los motores de flujo único permiten potencialmente una mayor expansión en un solo cilindro sin que el vapor de escape relativamente frío fluya a través del extremo caliente del cilindro de trabajo y los puertos de vapor de un motor de vapor de "contraflujo" convencional durante la carrera de escape. Esta condición permite una mayor eficiencia térmica. Los puertos de escape están abiertos solo durante una pequeña fracción de la carrera del pistón, y se cierran justo después de que el pistón comienza a desplazarse hacia el extremo de admisión del cilindro. El vapor que queda dentro del cilindro después de que se cierran los puertos de escape queda atrapado y el pistón que regresa lo comprime. Esto es termodinámicamente deseable ya que precalienta el extremo caliente del cilindro antes de la admisión de vapor. Sin embargo, el riesgo de una compresión excesiva a menudo hace que se incluyan pequeños puertos de escape auxiliares en las culatas. Este diseño se denomina motor de flujo único semi.
Los motores de este tipo suelen tener varios cilindros en línea y pueden ser de simple o doble efecto. Una ventaja particular de este tipo es que las válvulas pueden funcionar por efecto de varios árboles de levas y, al cambiar la fase relativa de estos árboles de levas, se puede aumentar la cantidad de vapor admitido para un par elevado a baja velocidad y se puede reducir a velocidad de crucero para una operación económica. Alternativamente, los diseños que utilizan una superficie de leva más compleja permiten variar la sincronización al desplazar todo el árbol de levas longitudinalmente en comparación con su seguidor, lo que permite variar la sincronización de admisión. (El árbol de levas se puede desplazar mediante dispositivos mecánicos o hidráulicos). Y, al cambiar la fase absoluta, se puede cambiar la dirección de rotación del motor. El diseño de flujo único también mantiene un gradiente de temperatura constante a través del cilindro, evitando que pase vapor caliente y frío a través del mismo extremo del cilindro.
En la práctica, el motor de flujo único tiene una serie de deficiencias operativas. La gran relación de expansión requiere un gran volumen de cilindro. Para obtener el máximo trabajo potencial del motor se requiere una alta tasa de reciprocidad, normalmente un 80% más rápida que un motor de contraflujo de doble efecto. Esto hace que los tiempos de apertura de las válvulas de admisión sean muy cortos, lo que genera una gran tensión en una parte mecánica delicada. Para soportar las enormes fuerzas mecánicas encontradas, los motores tienen que ser de construcción pesada y se requiere un gran volante tanto para suavizar las variaciones en el par a medida que la presión del vapor sube y baja rápidamente en el cilindro como para compensar la inercia del pesado pistón. Debido a que hay un gradiente térmico a lo largo del cilindro, el metal de la pared se expande en diferentes grados. Esto requiere que el diámetro interior del cilindro sea mecanizado más ancho en el centro frío (a veces descrito como "en forma de huevo") que en los extremos calientes. Si el cilindro no se calienta correctamente, o si entra agua, el delicado equilibrio puede alterarse causando un agarrotamiento a mitad de carrera y, potencialmente, la destrucción.
El motor Uniflow fue utilizado por primera vez en Gran Bretaña en 1827 por Jacob Perkins y fue patentado en 1885 por Leonard Jennett Todd. Fue popularizado por el ingeniero alemán Johann Stumpf en 1909, y el primer motor estacionario comercial se había fabricado un año antes, en 1908.
El principio de flujo unidireccional se utilizó principalmente para la generación de energía industrial, pero también se probó en algunas locomotoras de ferrocarril en Inglaterra, como las locomotoras de flujo unidireccional No.825 de 1913 y No.2212 de 1918 de North Eastern Railway , [1] y la locomotora Paget de Midland Railway . También se realizaron experimentos en Francia, [2] Alemania, Estados Unidos y Rusia. [1] En ningún caso los resultados fueron lo suficientemente alentadores como para emprender un mayor desarrollo.
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La primera utilización a gran escala de un motor Uniflow fue en los vagones de vapor Atkinson , en 1918. [3] Solo se sabe que todavía existe un vagón de vapor de este tipo; se construyó en 1918, pasó su vida útil y un período de abandono en Australia, y luego fue repatriado a Inglaterra y restaurado por Tom Varley en 1976-77. [4] [5]
La evolución comercial final del motor uniflow se produjo en los Estados Unidos a finales de los años 1930 y 1940 por la Skinner Engine Company con el desarrollo del Compound Unaflow Marine Steam Engine. [1] Este motor funciona en una configuración de compuesto de campanario y proporciona eficiencias que se acercan a los diésel contemporáneos. Muchos transbordadores de automóviles en los Grandes Lagos estaban equipados de este modo, uno de los cuales todavía está en funcionamiento, el SS Badger de 1952. El portaaviones de escolta de clase Casablanca , el diseño de portaaviones más prolífico de la historia, utilizó dos motores Skinner Unaflow de 5 cilindros, pero estos no eran compuestos de campanario. Un Skinner Uniflow no compuesto permaneció en servicio hasta 2013 en el transportador de cemento de los Grandes Lagos SS St. Marys Challenger , instalado cuando el buque fue re-motorizado en 1950.
En tamaños pequeños (menos de unos 1.000 hp (750 kW)), los motores de vapor alternativos son mucho más eficientes que las turbinas de vapor. La central solar de White Cliffs utilizó un motor de flujo único de tres cilindros con válvulas de admisión de tipo " Bash " para generar una potencia eléctrica de unos 25 kW.
La configuración de la máquina de vapor de flujo único de simple efecto se parece mucho a la de un motor de combustión interna de dos tiempos , y es posible convertir un motor de dos tiempos en una máquina de vapor de flujo único alimentando el cilindro con vapor a través de una " válvula de descarga " instalada en lugar de la bujía. [6] A medida que el pistón ascendente se acerca al extremo superior de su carrera, abre la válvula de descarga para admitir un pulso de vapor. La válvula se cierra automáticamente a medida que el pistón desciende y el vapor se expulsa a través del orificio existente en el cilindro. La inercia del volante de inercia lleva entonces al pistón de vuelta al extremo superior de su carrera contra la compresión, como lo hace en la forma original del motor. También como el original, la conversión no se inicia automáticamente y debe activarse mediante una fuente de energía externa para arrancar. Un ejemplo de este tipo de conversión es el ciclomotor a vapor, que se pone en marcha pedaleando. [7]
