El engranaje de válvulas de una máquina de vapor es el mecanismo que opera las válvulas de entrada y escape para admitir vapor en el cilindro y permitir que el vapor de escape escape, respectivamente, en los puntos correctos del ciclo. También puede servir como marcha atrás . A veces se le denomina "movimiento".
En el caso sencillo, esto puede ser una tarea relativamente sencilla como en el motor de combustión interna en el que las válvulas siempre se abren y cierran en los mismos puntos. Sin embargo, esta no es la disposición ideal para una máquina de vapor, porque la mayor potencia se logra manteniendo la válvula de entrada abierta durante toda la carrera de potencia (teniendo así la presión total de la caldera, menos las pérdidas de transmisión, contra el pistón durante toda la carrera), mientras que la eficiencia máxima es Esto se logra manteniendo la válvula de entrada abierta solo por un corto tiempo y luego dejando que el vapor se expanda en el cilindro (trabajo expansivo).
El punto en el que deja de admitir vapor al cilindro se conoce como corte , y la posición óptima para ello varía dependiendo del trabajo que se esté realizando y del equilibrio deseado entre potencia y eficiencia. Las máquinas de vapor están equipadas con reguladores ( aceleradores en el lenguaje estadounidense) para variar la restricción del flujo de vapor, pero generalmente es preferible controlar la potencia a través del ajuste de corte, ya que permite un uso más eficiente del vapor de la caldera.
Se puede obtener un beneficio adicional admitiendo el vapor en el cilindro ligeramente antes del punto muerto delantero o trasero . Esta admisión avanzada (también conocida como vapor de plomo ) ayuda a amortiguar la inercia del movimiento a alta velocidad.
En el motor de combustión interna, esta tarea se realiza mediante levas en un árbol de levas que acciona las válvulas de asiento , pero esta disposición no se usa comúnmente con motores de vapor, en parte porque lograr la sincronización variable del motor usando levas es complicado. En cambio, generalmente se usa un sistema de excéntricas , manivelas y palancas para controlar el movimiento de una válvula deslizante D o una válvula de pistón . Generalmente, se agregan dos movimientos armónicos simples con diferentes ángulos de fase fijos en proporciones variables para proporcionar un movimiento de salida que es variable en fase y amplitud. A lo largo de los años se han ideado diversos mecanismos de este tipo, con distinto éxito.
Tanto las válvulas de corredera como las de pistón tienen la limitación de que los eventos de admisión y escape están fijos entre sí y no se pueden optimizar de forma independiente. Se proporciona solapamiento en los bordes de vapor de la válvula, de modo que aunque la carrera de la válvula se reduce a medida que avanza el corte, la válvula siempre está completamente abierta para liberar el escape. Sin embargo, a medida que se acorta el límite, los eventos de escape también avanzan. El punto de liberación del escape ocurre antes en la carrera de potencia y la compresión antes en la carrera de escape. La liberación anticipada desperdicia algo de energía en el vapor, y el cierre temprano también desperdicia energía al comprimir una cantidad de vapor que de otro modo sería innecesariamente grande. Otro efecto del corte temprano es que la válvula se mueve bastante lentamente en el punto de corte, y esto crea un punto de constricción que hace que el vapor ingrese al cilindro a una presión menor que la presión total de la caldera (llamado "trefilado" del vapor, llamado así por el proceso de hacer alambre de metal pasándolo a través de un agujero), otro efecto termodinámico derrochador visible en un diagrama indicador .
Estas ineficiencias impulsaron la experimentación generalizada con engranajes de válvulas de asiento para locomotoras. Las válvulas de asiento de admisión y escape se pueden mover y controlar de forma independiente entre sí, lo que permite un mejor control del ciclo. Al final, no muchas locomotoras estaban equipadas con válvulas de asiento, pero eran comunes en los vagones y camiones de vapor; por ejemplo, prácticamente todos los camiones, locomotoras y vagones Sentinel usaban válvulas de asiento. Un diseño británico muy tardío, la clase SR Leader , utilizaba válvulas de manguito adaptadas de motores de combustión interna, pero esta clase no fue un éxito.
En las máquinas de vapor estacionarias , los motores de tracción y los motores marinos , las deficiencias de las válvulas y los engranajes de válvulas se encontraban entre los factores que conducían a la expansión compuesta . En los motores estacionarios también se utilizaron ampliamente válvulas de disparo .
Los engranajes de válvulas fueron un campo fértil de invención, con probablemente varios cientos de variaciones ideadas a lo largo de los años. Sin embargo, sólo un pequeño número de ellos tuvo un uso generalizado. Se pueden dividir en los que accionan las válvulas alternativas estándar (ya sean válvulas de pistón o válvulas de corredera), los que se usan con válvulas de asiento y los engranajes de disparo del motor estacionario que se usan con válvulas Corliss semirrotativas o válvulas de caída . [1]
Un componente del movimiento proviene de una manivela o excéntrica. El otro componente proviene de otra fuente, generalmente la cruceta .
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Dos excéntricas unidas por un eslabón curvo o recto. Una disposición sencilla que funciona bien a baja velocidad. A alta velocidad, se dice que un engranaje tipo Walschaerts proporciona una mejor distribución del vapor y una mayor eficiencia.
Ambos componentes del movimiento provienen de una sola manivela o excéntrica. Un problema con esta disposición (cuando se aplica a locomotoras) es que uno de los componentes del movimiento se ve afectado por la subida y bajada de la locomotora sobre sus resortes. Esto probablemente explica por qué los engranajes radiales fueron reemplazados en gran medida por los engranajes de tipo Walschaerts en la práctica ferroviaria, pero continuaron utilizándose en motores de tracción y marinos.
Estos permiten construir una locomotora de 3 o 4 cilindros con sólo dos juegos de engranajes de válvulas. El más conocido es el engranaje de válvulas conjugadas Gresley , utilizado en locomotoras de 3 cilindros. Para los dos cilindros exteriores se suele utilizar un engranaje de Walschaerts. Dos palancas conectadas a las varillas de la válvula del cilindro exterior accionan la válvula del cilindro interior. Harold Holcroft ideó un método diferente para conjugar el engranaje de válvulas vinculando el cilindro central al conjunto de palanca combinada de un cilindro exterior, creando el derivado del engranaje de válvulas Holcroft . En una locomotora de 4 cilindros la disposición es más sencilla. El engranaje de válvulas puede estar dentro o fuera y sólo se necesitan ejes oscilantes cortos para unir las válvulas en los cilindros interior y exterior.
Los motores estacionarios grandes a menudo usaban una forma avanzada de engranaje de válvulas desarrollado por George Henry Corliss, generalmente llamado engranaje de válvulas Corliss . Este equipo utilizaba válvulas separadas para entrada y escape para que el corte de entrada pudiera controlarse con precisión. El uso de válvulas y conductos de puerto separados para la admisión y el escape de vapor también redujo significativamente las pérdidas asociadas con la condensación y reevaporación del cilindro. Estas características dieron como resultado una eficiencia mucho mejor.
La dirección de marcha y el corte de una locomotora se ajustan desde la cabina mediante una palanca de inversión o un inversor de tornillo que acciona una varilla que llega al engranaje de válvulas propiamente dicho. Algunas máquinas de vapor más grandes emplean una inversión de potencia, que es un servomecanismo , generalmente impulsado por vapor. Esto facilita al conductor el control de la marcha atrás .