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Una máquina de vapor Corliss (o motor Corliss ) es una máquina de vapor , equipada con válvulas rotativas y con sincronización variable de válvulas patentada en 1849, inventada por el ingeniero estadounidense George Henry Corliss de Providence, Rhode Island , y bautizada en honor a él. Corliss asumió la invención original de Frederick Ellsworth Sickels (1819-1895), quien poseía la patente (1829) en la oficina de patentes de Estados Unidos.
Las máquinas equipadas con el mecanismo de válvulas Corliss ofrecían la mejor eficiencia térmica de cualquier tipo de máquina de vapor estacionaria hasta el perfeccionamiento de la máquina de vapor de flujo único y la turbina de vapor en el siglo XX. Las máquinas Corliss eran generalmente un 30 por ciento más eficientes en términos de consumo de combustible que las máquinas de vapor convencionales con corte fijo. [1] Esta mayor eficiencia hizo que la energía de vapor fuera más económica que la energía hidráulica, lo que permitió el desarrollo industrial más allá de los estanques de molino. [2]
Los motores Corliss se utilizaban normalmente como motores estacionarios para proporcionar energía mecánica a los ejes de transmisión de las fábricas y los molinos y para accionar dinamos para generar electricidad. Muchos eran bastante grandes, de varios metros de altura y desarrollaban varios cientos de caballos de fuerza , aunque a baja velocidad, haciendo girar enormes volantes de inercia que pesaban varias toneladas a unas 100 revoluciones por minuto. Algunos de estos motores tienen funciones inusuales como sistemas mecánicos heredados y, debido a su eficiencia relativamente alta y a sus bajos requisitos de mantenimiento, algunos siguen en servicio hasta principios del siglo XXI. Véase, por ejemplo, los motores de la cervecería Hook Norton y la destilería Dillon en la lista de motores operativos.
Los motores Corliss tienen cuatro válvulas por cada cilindro, con válvulas de vapor y de escape ubicadas en cada extremo. Los motores Corliss incorporan mejoras distintivas tanto en las válvulas en sí como en el mecanismo de válvulas , es decir, el sistema de varillajes que accionan las válvulas.
El uso de válvulas separadas para la admisión y el escape de vapor significa que ni las válvulas ni los conductos de vapor entre los cilindros y las válvulas necesitan cambiar de temperatura durante el ciclo de potencia y escape, y significa que la sincronización de las válvulas de admisión y escape se puede controlar de forma independiente. En cambio, las máquinas de vapor convencionales tienen una válvula de corredera o una válvula de pistón que alimenta y expulsa alternativamente el vapor a través de conductos hacia cada extremo del cilindro. Estos conductos están expuestos a grandes oscilaciones de temperatura durante el funcionamiento del motor y hay altos gradientes de temperatura dentro del mecanismo de la válvula.
Clark (1891) comentó que el engranaje Corliss "es esencialmente una combinación de elementos previamente conocidos y utilizados por separado, que afectan al cilindro y al mecanismo de válvulas". [3] Los orígenes del engranaje Corliss con respecto al mecanismo de válvulas de vapor anterior fueron rastreados por Inglis (1868). [4]
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George Corliss recibió la patente estadounidense 6.162 por su mecanismo de válvulas el 10 de marzo de 1849. Esta patente cubría el uso de una placa de muñeca para transmitir el movimiento de la válvula desde un solo excéntrico a las cuatro válvulas del motor, y cubría el uso de válvulas de disparo con corte variable bajo control del gobernador que caracterizan a los motores Corliss. [5] A diferencia de los motores posteriores, la mayoría de los cuales eran horizontales, esta patente describe un motor de viga de cilindro vertical y usaba válvulas de corredera individuales para admisión y escape en cada extremo del cilindro.
Las válvulas de admisión se abren con un trinquete accionado por excéntrica ; cuando el trinquete se activa , el cierre rápido se amortigua mediante un amortiguador . En muchos motores, el mismo amortiguador actúa como un resorte de vacío para cerrar las válvulas, pero los primeros motores de Corliss eran lo suficientemente lentos como para que fuera el peso del pistón y la varilla del amortiguador lo que cerrara la válvula.
La velocidad de un motor Corliss se controla variando el corte de vapor durante cada carrera de potencia, mientras se deja el acelerador completamente abierto en todo momento. Para lograr esto, el regulador centrífugo está conectado a un par de levas, una para cada válvula de admisión. Estas levas determinan el punto durante la carrera del pistón en el que se soltará el trinquete, lo que permitirá que esa válvula se cierre.
Al igual que con todas las máquinas de vapor en las que se puede regular el corte, la ventaja de hacerlo reside en el hecho de que la mayor parte de la carrera de potencia se alimenta mediante la expansión del vapor en el cilindro después de que se ha cerrado la válvula de admisión. Esto se acerca mucho más al ciclo ideal de Carnot de lo que es posible con una máquina en la que la válvula de admisión está abierta durante toda la carrera de potencia y la velocidad se regula mediante una válvula de mariposa .
El engranaje de válvulas Corliss permitió una velocidad más uniforme y una mejor respuesta a los cambios de carga, haciéndolo adecuado para aplicaciones como laminadores e hilado, y expandiendo enormemente su uso en la fabricación. [6] [7]
Las válvulas Corliss se abren directamente en el cilindro. Las válvulas conectan el cilindro a cámaras de vapor y escape separadas . Inicialmente, Corliss utilizó válvulas de corredera con actuadores lineales, pero en 1851, Corliss había cambiado a actuadores de válvulas semirrotativas, como se documenta en la patente estadounidense 8253. [8] En este motor, la placa de muñeca se movió al centro del lado del cilindro, como en los motores Corliss posteriores. Sin embargo, este seguía siendo un motor de viga y los actuadores de válvulas semirrotativas operaban válvulas de corredera lineales dentro de los cuatro cofres de válvulas del motor.
Las válvulas Corliss tienen la forma de un segmento circular menor que gira dentro de una cara cilíndrica de la válvula. Su mecanismo de accionamiento está desviado a lo largo del eje de la válvula, por lo que tienen poco "espacio muerto", como el vástago de una válvula de asiento , y toda el área del puerto se puede utilizar de manera eficiente para el flujo de gas.
Como el área de una válvula Corliss es pequeña en comparación con el área del puerto, los efectos del flujo de gas generan un par relativamente pequeño en el eje de la válvula en comparación con otros tipos de válvulas. Estas ventajas han llevado a que el tipo de válvula Corliss se utilice en otras funciones, además de en las máquinas de vapor con engranajes Corliss.
El motor aeronáutico Rolls-Royce Merlin utilizaba una válvula de mariposa rectangular como acelerador. Las fuerzas del flujo de gas que actuaban asimétricamente sobre esta mariposa podían provocar un control deficiente de la potencia en algunas circunstancias. Los modelos posteriores, a partir del 134, utilizaban una válvula de mariposa Corliss para evitar este problema. [9]
Una característica común de los grandes motores Corliss es uno o dos juegos de dientes de engranaje estrechos en el borde del volante . [10] Estos dientes permiten que el volante se barra , es decir, se gire con la ayuda de una palanca . [11] Esto puede ser necesario durante el mantenimiento del motor, por ejemplo, para ajustar la sincronización de la válvula de corte y admisión, y puede ser necesario durante el arranque del motor.
La necesidad de bloquear el motor durante el arranque es más evidente en los motores monocilíndricos, en los que un operador descuidado podría detener el motor con el pistón en el punto muerto o cerca de él. Una vez detenido en este estado, el motor no puede arrancar por su propia potencia, por lo que debe bloquearse en una posición más favorable para el arranque.
Los grandes motores Corliss no pueden arrancarse en frío de forma segura, [ ¿por qué? ] por lo que es habitual dejar pasar vapor a baja presión por ambos lados del cilindro para calentar la estructura metálica. Hacer girar el motor lentamente durante este proceso garantiza que todo el motor se caliente de manera uniforme y que el aceite se distribuya de manera uniforme por todo el mecanismo antes de aplicar la potencia. [12] Nuevamente, se puede utilizar el bloqueo para hacer esto, aunque los operadores a veces lo hacen mediante una cuidadosa manipulación manual de las válvulas. [13]
En el caso de los motores de gran tamaño, la activación muscular de las barras es lo suficientemente difícil como para que se instalen con frecuencia motores de barras . [14] Se trata de motores pequeños con dientes de engranaje cortados para acoplarse con los dientes del volante. Por lo general, los engranajes de transmisión del motor de barras están diseñados para desacoplarse automáticamente si el motor comienza a funcionar por su propia potencia mientras los engranajes de las barras están acoplados.
En la década de 1830, la Corliss Steam Engine Company se conocía originalmente como Fairbanks, Clark & Co. En 1843, cuando Edward Bancroft se unió a la empresa, pasó a llamarse Fairbanks, Bancroft & Co. En 1846, cuando George H. Corliss se unió a la empresa, pasó a llamarse Bancroft, Nightingale & Co. y, en 1847, pasó a llamarse Corliss, Nightingale and Co. En 1848, la empresa se trasladó al cruce ferroviario de Charles Street en Providence, Rhode Island .
En 1857, la empresa cambió su nombre por última vez a Corliss Steam Engine Company. En 1864, Corliss compró la parte de sus socios y se convirtió en el único propietario de la empresa.
En 1859, ya se habían implementado todas las características clave de lo que hoy conocemos como el motor Corliss. Las patentes otorgadas a Corliss y a otros fabricantes incorporaban válvulas rotativas y cigüeñales en línea con los cilindros. Véase, por ejemplo, la patente estadounidense 24.618 de Corliss, otorgada el 5 de julio de 1859. [15] Los inventores que competían entre sí trabajaron arduamente para inventar alternativas a los mecanismos de Corliss; generalmente evitaron el uso de una placa de muñeca de Corliss y adoptaron mecanismos de liberación alternativos para las válvulas de vapor, como en la patente estadounidense 19.640 de Jamieson, otorgada el 16 de marzo de 1858. [16]
La patente de Corliss de 1849 expiró en 1870; el plazo de esta patente había sido extendido por la reedición de la patente estadounidense 200 el 13 de mayo de 1851 y las reediciones de las patentes estadounidenses 758 y 763 el 12 de julio de 1859. B. Hick and Son fueron los primeros en introducir el motor Corliss en el Reino Unido alrededor de 1864. Después de 1870, muchas otras empresas comenzaron a fabricar motores Corliss. Entre ellas, la William A. Harris Steam Engine Company, [17] la Worthington Pump and Machinery Company , [18] y Allis-Chalmers . [19] En general, estas máquinas se denominaban motores Corliss independientemente de quién las fabricara.
En 1895 la empresa cerró bajo la carga de una deuda de 800.000 dólares, y en 1900 fue vendida a la International Power Company controlada por el industrial Joseph H. Hoadley . [20] En 1905 fue transferida a otra firma de Hoadley, la American & British Manufacturing Corporation .
En 1925, la empresa se fusionó con Franklin Machine Company. Para entonces, Franklin Machine Company ya era propiedad de William A. Harris Steam Engine Company.
El motor del centenario de Corliss era un motor de viga rotativa especialmente construido y con todo incluido que propulsaba prácticamente todas las exhibiciones en la Exposición del Centenario de los Estados Unidos en Filadelfia en 1876 a través de ejes que totalizaban más de una milla de longitud. El motor, encendido por el presidente Ulysses S. Grant y el emperador Pedro II de Brasil , estuvo a la vista del público durante toda la feria.
El motor estaba configurado como dos cilindros uno al lado del otro. Cada cilindro tenía un diámetro de 112 cm (44 pulgadas) y una carrera de 3,0 m (10 pies). El motor Centennial medía 14 m (45 pies) de alto, tenía un volante de inercia de 9,1 m (30 pies) de diámetro y producía 1400 caballos de fuerza (1000 kW). Después de la feria, se desmontó y se envió de vuelta a la planta de Corliss en Providence. Siete años después se vendió y alimentó una fábrica de Chicago propiedad de George Pullman hasta 1910, [21] cuando se vendió como chatarra. [22]
Este motor se convirtió en un icono cultural, tanto que para muchos historiadores modernos el término Motor Corliss (o Motor de Vapor Corliss ) se refiere a este motor específico y no a la amplia clase de motores equipados con mecanismo de válvulas Corliss. [23]
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