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Las válvulas de pistón son un tipo de válvula que se utiliza para controlar el flujo de vapor dentro de una máquina de vapor o locomotora . Controlan la admisión de vapor en los cilindros y su posterior escape, lo que permite que una locomotora se mueva por su propia potencia. La válvula consta de dos cabezas de pistón en un eje común que se mueven dentro de un depósito de vapor, que es esencialmente un minicilindro ubicado encima o debajo de los cilindros principales de la locomotora.
En el siglo XIX, las locomotoras de vapor utilizaban válvulas de corredera para controlar el flujo de vapor que entraba y salía de los cilindros . En el siglo XX, las válvulas de corredera fueron reemplazadas gradualmente por válvulas de pistón, en particular en los motores que utilizaban vapor sobrecalentado . Hubo dos razones para esto:
Los mecanismos de válvulas de locomotoras habituales, como los mecanismos de válvulas Stephenson , Walschaerts y Baker , se pueden utilizar con válvulas de corredera o de pistón. Cuando se utilizan válvulas de asiento , se puede utilizar un mecanismo diferente, como el mecanismo de válvulas Caprotti , aunque Chapelon y otros también utilizaron mecanismos estándar, como los mencionados anteriormente.
La mayoría de las válvulas de pistón son del tipo de "admisión interna", donde el vapor fresco se introduce desde la caldera a través del espacio entre las dos cabezas de pistón de la válvula, y el vapor de escape sale a través del espacio entre la cabeza del pistón y el extremo del cofre de vapor. La ventaja de esta disposición es que las fugas, a través del casquillo que sella el cofre de vapor desde la varilla de operación del mecanismo de válvulas, son un problema mucho menor cuando el casquillo está sujeto a una presión de escape baja en lugar de a la presión total de la caldera. Sin embargo, algunas locomotoras, como la clase SR Merchant Navy de Bulleid , usaban "admisión externa" cuando lo contrario era cierto, en el caso de Bulleid debido a la inusual disposición del mecanismo de válvulas accionado por cadena.
La máquina de bobinado inclinado Swannington del ferrocarril Leicester and Swannington , fabricada por The Horsely Coal & Iron Company en 1833, muestra un uso muy temprano de la válvula de pistón. [1] Las válvulas de pistón se habían utilizado un año o dos antes en las máquinas horizontales fabricadas por Taylor & Martineau de Londres, pero no se generalizaron para las máquinas estacionarias o locomotoras hasta finales del siglo XIX. [2]
Cuando está en movimiento, una locomotora de vapor necesita que el vapor entre en el cilindro en momentos precisos en relación con la posición del pistón. [3] Esto implica controlar la admisión y el escape de vapor hacia y desde los cilindros con una válvula vinculada al movimiento del pistón. [3]
Para la sincronización y el dimensionamiento de válvulas de corredera o de pistón donde la válvula abre y cierra los puertos de vapor y de escape, se requiere tener en cuenta la "vuelta" y el "avance".
El solape es la cantidad en la que la válvula se superpone a cada puerto en la posición media de cada válvula. [3] Hay dos tipos diferentes de solape.
El primer tipo es la superposición de vapor, que es la cantidad en la que la válvula se superpone al puerto de vapor en el lado de vapor vivo del pistón o la válvula deslizante (es decir, la distancia que la válvula necesita moverse para comenzar a descubrir el puerto). [3]
En segundo lugar, la superposición de escape, que es la cantidad en la que la válvula se superpone al puerto de escape en el lado de escape del pistón o la válvula de corredera. La superposición de escape generalmente se aplica a las locomotoras de marcha lenta. [3] Esto se debe a que permite que el vapor permanezca en el cilindro durante el mayor tiempo posible antes de gastarse como escape, lo que aumenta la eficiencia. [3] Las locomotoras de maniobras tendían a estar equipadas con este añadido.
La holgura de escape negativa, también conocida comúnmente como espacio libre de escape, es la cantidad que el puerto está abierto para liberar el escape cuando la válvula está en la posición media, y se utiliza en muchas locomotoras de alta velocidad para proporcionar un escape libre. [3] El cilindro en ambos lados del pistón está abierto para liberar el escape al mismo tiempo cuando la válvula pasa por la posición media, que es solo momentánea cuando está en funcionamiento. [3]
El avance es la cantidad de apertura de un puerto cuando el pistón está en el "punto muerto" delantero o trasero. [3] En el caso del puerto de vapor, esto permite la admisión de vapor para llenar el espacio libre entre el cilindro y el pistón y garantiza la máxima presión del cilindro antes del comienzo de la carrera. [3] Esto amortigua y ayuda a la masa del pistón a disminuir la velocidad y cambiar de dirección. A bajas velocidades, ningún avance es ideal. Para motores con pistones de 24 pulgadas o más y masas de más de 5 kilos y presiones inferiores a 500 psi, la amortiguación es beneficiosa. El plomo es necesario en locomotoras diseñadas para altas velocidades. [3]
Dados el solape, el avance y el recorrido de la válvula, ¿en qué punto de la carrera del pistón la válvula se abre y se cierra para generar vapor y escape?
Calcular una respuesta exacta a esa pregunta antes de que existieran las computadoras era demasiado trabajo. La aproximación fácil (usada en los diagramas de Zeuner y Realeaux ) es suponer que tanto la válvula como el pistón tienen un movimiento de onda sinusoidal (como lo tendrían si la varilla principal fuera infinitamente larga). Luego, por ejemplo, para calcular el porcentaje de la carrera del pistón en el que se corta la admisión de vapor:
Suma los dos ángulos y toma el coseno de su suma; resta 1 de ese coseno y multiplica el resultado por -50.
Tal como se construyó, el I1s 2-10-0 de Pennsylvania tenía un desfase de 2 pulgadas, un avance de 1/4 de pulgada y un recorrido de válvula de 6 pulgadas en la marcha completa. En la marcha completa, los dos ángulos son 48,19 grados y 41,41 grados y el corte máximo es el 49,65 % de la carrera del pistón.