Una máquina de vapor marina es una máquina de vapor que se utiliza para propulsar un barco o embarcación . Este artículo trata principalmente de las máquinas de vapor marinas de tipo alternativo , que estuvieron en uso desde los inicios del barco de vapor a principios del siglo XIX hasta sus últimos años de fabricación a gran escala durante la Segunda Guerra Mundial . Las máquinas de vapor alternativas fueron reemplazadas progresivamente en aplicaciones marinas durante el siglo XX por turbinas de vapor y motores diésel marinos .
La primera máquina de vapor comercialmente exitosa fue desarrollada por Thomas Newcomen en 1712. Las mejoras en las máquinas de vapor introducidas por James Watt en la segunda mitad del siglo XVIII mejoraron enormemente la eficiencia de las máquinas de vapor y permitieron disposiciones de máquinas más compactas. La adaptación exitosa de la máquina de vapor a aplicaciones marinas en Inglaterra tendría que esperar hasta casi un siglo después de Newcomen, cuando el ingeniero escocés William Symington construyó el "primer barco de vapor práctico " del mundo , el Charlotte Dundas , en 1802. [1] Inventores rivales James Rumsey y John Fitch fueron los primeros en construir barcos de vapor en Estados Unidos. Rumsey expuso el diseño de su barco de vapor en 1787 en el río Potomac; sin embargo, Fitch ganó la rivalidad en 1790 después de que su prueba exitosa resultó en un servicio de pasajeros en el río Delaware. [2] En 1807, el estadounidense Robert Fulton construyó el primer barco de vapor comercialmente exitoso del mundo, conocido simplemente como North River Steamboat , y propulsado por un motor Watt.
Tras el éxito de Fulton, la tecnología de los barcos de vapor se desarrolló rápidamente a ambos lados del Atlántico . Inicialmente, los barcos de vapor tenían un alcance corto y no eran particularmente aptos para navegar debido a su peso, baja potencia y tendencia a averiarse, pero se emplearon con éxito a lo largo de ríos y canales, y para viajes cortos a lo largo de la costa. El primer cruce transatlántico exitoso en un barco de vapor ocurrió en 1819 cuando Savannah zarpó de Savannah, Georgia, a Liverpool, Inglaterra . El primer barco de vapor que realizó travesías transatlánticas regulares fue el vapor de ruedas laterales Great Western en 1838. [3]
A medida que avanzaba el siglo XIX, las máquinas de vapor marinas y la tecnología de los barcos de vapor se desarrollaron juntas. La propulsión de paletas fue reemplazando gradualmente a la hélice de tornillo , y la introducción de cascos de hierro y más tarde de acero para reemplazar el tradicional casco de madera permitió que los barcos crecieran cada vez más, lo que requirió plantas de energía de vapor que eran cada vez más complejas y poderosas. [4]
A lo largo del siglo XIX se desarrolló una amplia variedad de máquinas de vapor marinas alternativas. Los dos métodos principales para clasificar dichos motores son por mecanismo de conexión y tecnología de cilindros .
La mayoría de los primeros motores marinos tenían la misma tecnología de cilindros (expansión simple, ver más abajo), pero se utilizaban varios métodos diferentes para suministrar energía al cigüeñal (es decir, mecanismo de conexión). Así, los primeros motores marinos se clasifican principalmente según su mecanismo de conexión. Algunos mecanismos de conexión comunes fueron palanca lateral, campanario, viga móvil y acción directa (consulte las siguientes secciones).
Sin embargo, las máquinas de vapor también se pueden clasificar según la tecnología de los cilindros (de expansión simple, compuesta, anular, etc.). Por tanto, se pueden encontrar ejemplos de motores clasificados según ambos métodos. Un motor puede ser del tipo balancín compuesto, siendo el compuesto la tecnología del cilindro y el balancín el método de conexión. Con el tiempo, a medida que la mayoría de los motores se volvieron de acción directa pero las tecnologías de cilindros se volvieron más complejas, la gente comenzó a clasificar los motores únicamente según la tecnología de cilindros.
Los tipos de motores de vapor marinos más comunes se enumeran en las siguientes secciones. Tenga en cuenta que no todos estos términos son exclusivos de aplicaciones marinas.
El motor de palanca lateral fue el primer tipo de máquina de vapor ampliamente adoptado para uso marino en Europa . [5] [6] En los primeros años de la navegación a vapor (desde c1815), la palanca lateral era el tipo más común de motor marino para vías navegables interiores y servicios costeros en Europa, y siguió siendo durante muchos años el motor preferido para navegación oceánica. Servicio a ambos lados del Atlántico . [7]
La palanca lateral fue una adaptación de la primera forma de máquina de vapor, la máquina de viga . El típico motor de palanca lateral tenía un par de pesadas vigas de hierro horizontales, conocidas como palancas laterales, que se conectaban en el centro a la parte inferior del motor con un pasador. Esta conexión permitía un arco limitado para que las palancas giraran hacia adentro. Estas palancas se extendían, en el lado del cilindro, a cada lado de la parte inferior del cilindro vertical del motor. Un vástago de pistón, conectado verticalmente al pistón, se extendía desde la parte superior del cilindro. Esta varilla está unida a una cruceta horizontal, conectada en cada extremo a unas varillas verticales (conocidas como side-rods). Estas varillas estaban conectadas a las palancas a cada lado del cilindro. Esto formaba la conexión de las palancas con el pistón en el lado del cilindro del motor. El otro lado de las palancas (el extremo opuesto del pivote de la palanca al cilindro) estaban conectados entre sí con una cruz horizontal. Esta cruceta a su vez conectaba y operaba una sola biela , que hacía girar el cigüeñal . La rotación del cigüeñal era impulsada por las palancas que, en el lado del cilindro, eran impulsadas por la oscilación vertical del pistón. [8]
La principal desventaja del motor de palanca lateral era que era grande y pesado. [6] Para el servicio de vías navegables interiores y costero, pronto lo reemplazaron diseños más ligeros y eficientes. Sin embargo, siguió siendo el tipo de motor dominante para los servicios transoceánicos durante gran parte de la primera mitad del siglo XIX, debido a su centro de gravedad relativamente bajo , que daba a los barcos más estabilidad en mares agitados. [7] También fue un tipo de motor temprano común para los buques de guerra, [9] ya que su altura relativamente baja lo hacía menos susceptible a daños en batalla. Desde el primer buque de vapor de la Royal Navy en 1820 hasta 1840, entraron en servicio 70 buques de vapor, la mayoría con motores de palanca lateral, utilizando calderas ajustadas a una presión máxima de 4 psi. [9] Las bajas presiones de vapor dictaban los grandes tamaños de cilindros para los motores de palanca lateral, aunque la presión efectiva sobre el pistón era la diferencia entre la presión de la caldera y el vacío en el condensador.
El motor de palanca lateral era un motor de ruedas de paletas y no era adecuado para accionar hélices de tornillo . El último barco construido para el servicio transatlántico que tenía un motor de palanca lateral fue el barco de vapor RMS Scotia de Cunard Line , considerado un anacronismo cuando entró en servicio en 1862. [10]
El motor saltamontes o 'media palanca' [11] era una variante del motor de palanca lateral. El motor Grasshopper se diferencia del motor de palanca lateral convencional en que la ubicación del pivote de la palanca y la biela están más o menos invertidas, con el pivote ubicado en un extremo de la palanca en lugar del centro, mientras que la biela está unida al palanca entre el cilindro en un extremo y el pivote en el otro. [12]
Las principales ventajas del motor saltamontes fueron su bajo costo de construcción y su robustez, y se decía que requería menos mantenimiento que cualquier otro tipo de motor de vapor marino. Otra ventaja es que el motor se puede arrancar fácilmente desde cualquier posición del cigüeñal. Sin embargo, al igual que el motor de palanca lateral convencional, los motores Grasshopper tenían la desventaja de su peso y tamaño. Se utilizaban principalmente en pequeñas embarcaciones como barcos fluviales y remolcadores . [12]
El motor de cruceta, también conocido como motor cuadrado , de aserradero o de estructura en A , era un tipo de motor de rueda de paletas utilizado en los Estados Unidos. Era el tipo de motor más común en los primeros años de la navegación a vapor estadounidense. [13]
Se describe que el motor de cruceta tiene un cilindro vertical sobre el cigüeñal, con el vástago del pistón asegurado a una cruceta horizontal, desde cada extremo de la cual, en lados opuestos del cilindro, se extendía una biela que hacía girar su propio cigüeñal separado. [14] La cruceta se movió dentro de guías verticales para que el conjunto mantuviera la trayectoria correcta mientras se movía. [15] El nombre alternativo del motor, "A-frame", presumiblemente deriva de la forma de los marcos que soportaban estas guías. Algunos motores de cruceta tenían más de un cilindro, en cuyo caso los vástagos del pistón generalmente estaban todos conectados a la misma cruceta. Una característica inusual de los primeros ejemplos de este tipo de motor fue la instalación de volantes (engranados a los cigüeñales) que se consideraban necesarios para garantizar un funcionamiento suave. Estos engranajes a menudo eran ruidosos durante su funcionamiento.
Debido a que en este tipo de motor el cilindro estaba por encima del cigüeñal, tenía un centro de gravedad alto y, por lo tanto, se consideraba inadecuado para el servicio en alta mar. [16] Esto se limitó en gran medida a los buques construidos para vías navegables interiores. [14] A medida que los motores marinos crecieron cada vez más y se hicieron más pesados a lo largo del siglo XIX, el alto centro de gravedad de los motores de cruceta cuadrada se volvió cada vez más impráctico y, en la década de 1840, los constructores navales los abandonaron en favor del motor de viga móvil. [17]
El nombre de este motor puede causar confusión, ya que "cruceta" es también un nombre alternativo para el motor de campanario (abajo). Por tanto, muchas fuentes prefieren referirse a él por su nombre informal de motor "cuadrado" para evitar confusiones. Además, el motor de cruceta o cuadrado marino descrito en esta sección no debe confundirse con el término " motor cuadrado " aplicado a los motores de combustión interna , que en este último caso se refiere a un motor cuyo diámetro es igual a su carrera .
La viga móvil, también conocida como "viga vertical", "viga superior" o simplemente "viga", fue otra de las primeras adaptaciones del motor de viga, pero su uso se limitó casi por completo a los Estados Unidos. [18] Después de su introducción, el balancín se convirtió rápidamente en el tipo de motor más popular en Estados Unidos para servicios costeros y de vías navegables interiores, y el tipo demostró tener una longevidad notable, y los motores de balancín todavía se fabricaban ocasionalmente hasta la década de 1940. En aplicaciones marinas, la propia viga generalmente estaba reforzada con puntales de hierro que le daban una característica forma de diamante, aunque los soportes sobre los que descansaba la viga a menudo se construían de madera. El adjetivo "caminar" se aplicó porque se podía ver en funcionamiento la viga, que se elevaba muy por encima de la cubierta del barco, y su movimiento de balanceo se comparaba (de manera algo fantasiosa) con un movimiento de caminar.
Los motores de balancín eran un tipo de motor de rueda de paletas y rara vez se usaban para impulsar hélices. Se utilizaban principalmente para barcos y embarcaciones que trabajaban en ríos, lagos y a lo largo de la costa, pero eran una opción menos popular para las embarcaciones marítimas porque la gran altura del motor hacía que la embarcación fuera menos estable en mares agitados. [19] También eran de uso militar limitado, porque el motor estaba expuesto al fuego enemigo y, por lo tanto, podía desactivarse fácilmente. Su popularidad en los Estados Unidos se debió principalmente al hecho de que el motor de balancín era muy adecuado para los barcos de poco calado que operaban en las vías navegables interiores y costeras poco profundas de Estados Unidos. [18]
Los motores de balancín siguieron siendo populares entre las líneas navieras y las operaciones de excursiones estadounidenses hasta principios del siglo XX. Aunque el motor de viga móvil era técnicamente obsoleto a finales del siglo XIX, siguió siendo popular entre los pasajeros de los vapores de excursión que esperaban ver la "viga móvil" en movimiento. También hubo razones técnicas para conservar el motor de viga móvil en Estados Unidos, ya que era más fácil de construir y requería menos precisión en su construcción. Se podría utilizar madera para el bastidor principal del motor, a un coste mucho menor que la práctica habitual de utilizar piezas de fundición de hierro para diseños de motores más modernos. El combustible también era mucho más barato en Estados Unidos que en Europa, por lo que la menor eficiencia del motor de balancín no era una consideración tan importante. El constructor naval de Filadelfia Charles H. Cramp atribuyó la falta general de competitividad de Estados Unidos con la industria de construcción naval británica a mediados y finales del siglo XIX al conservadurismo de los constructores navales y propietarios de líneas navieras estadounidenses, que se aferraban obstinadamente a tecnologías obsoletas como la viga andante y su rueda de paletas asociada mucho después de haber sido abandonados en otras partes del mundo. [20]
El motor de campanario, a veces denominado motor de "cruceta", fue un primer intento de romper con el concepto de viga común tanto a los tipos de viga móvil como de palanca lateral, y crear un diseño más pequeño, liviano y más eficiente. En un motor de campanario, la oscilación vertical del pistón no se convierte en un movimiento de balanceo horizontal como en un motor de viga, sino que se utiliza para mover un conjunto, compuesto por una cruceta y dos varillas, a través de una guía vertical en la parte superior de el motor, que a su vez hace girar la biela del cigüeñal que se encuentra debajo. [21] En los primeros ejemplos de este tipo, el conjunto de la cruceta tenía forma rectangular, pero con el tiempo se perfeccionó hasta convertirse en un triángulo alargado. El conjunto triangular sobre el cilindro del motor le da al motor su característica forma de "campanario", de ahí el nombre.
Las máquinas de campanario eran altas como las de viga móvil, pero mucho más estrechas lateralmente, lo que ahorraba espacio y peso. Debido a su altura y alto centro de gravedad, se los consideraba, al igual que los balancines, menos apropiados para servicios de navegación oceánica, pero siguieron siendo muy populares durante varias décadas, especialmente en Europa, para embarcaciones costeras y de navegación interior. [22]
Los motores de campana comenzaron a aparecer en los barcos de vapor en la década de 1830 y el constructor naval escocés David Napier perfeccionó el tipo a principios de la década de 1840 . [23] El motor de campanario fue reemplazado gradualmente por los distintos tipos de motores de acción directa.
El motor siamés, también conocido como motor de "doble cilindro" o "bicilíndrico", fue otra de las primeras alternativas al motor de viga o de palanca lateral. Este tipo de motor tenía dos cilindros verticales idénticos dispuestos uno al lado del otro, cuyos vástagos estaban unidos a una cruceta común en forma de T. El brazo vertical de la cruceta se extendía hacia abajo entre los dos cilindros y estaba unido en la parte inferior tanto a la biela del cigüeñal como a un bloque guía que se deslizaba entre los lados verticales de los cilindros, permitiendo que el conjunto mantuviera la trayectoria correcta mientras se movía. . [24]
El motor siamés fue inventado por el ingeniero británico Joseph Maudslay (hijo de Henry ), pero aunque lo inventó después de su motor oscilante (ver más abajo), no logró lograr la misma aceptación generalizada, ya que era sólo marginalmente más pequeño y liviano que el lateral. motores de palanca para los que fue diseñado para reemplazar. [25] Sin embargo, se utilizó en varios buques de guerra de mediados de siglo, incluido el primer buque de guerra equipado con una hélice de tornillo, el HMS Rattler .
Hay dos definiciones de motor de acción directa que se encuentran en la literatura del siglo XIX. La definición anterior aplica el término "acción directa" a cualquier tipo de motor que no sea un motor de viga (es decir, de viga móvil, de palanca lateral o de tipo saltamontes). La última definición sólo utiliza el término para motores que aplican potencia directamente al cigüeñal a través del vástago del pistón y/o la biela. [26] A menos que se indique lo contrario, este artículo utiliza la definición posterior.
A diferencia del motor de palanca lateral o de viga, un motor de acción directa podría adaptarse fácilmente para impulsar ruedas de paletas o una hélice. Además de ofrecer un perfil más bajo, los motores de acción directa tenían la ventaja de ser más pequeños y pesar considerablemente menos que los motores de viga o de palanca lateral. La Royal Navy descubrió que, en promedio, un motor de acción directa (definición antigua) pesaba un 40% menos y requería una sala de máquinas de sólo dos tercios del tamaño de la de una palanca lateral de potencia equivalente. Una desventaja de estos motores es que eran más propensos a desgastarse y, por tanto, requerían más mantenimiento. [25]
Un motor oscilante era un tipo de motor de acción directa diseñado para lograr mayores reducciones en el tamaño y el peso del motor. Los motores oscilantes tenían las bielas conectadas directamente al cigüeñal, prescindiendo de la necesidad de bielas. Para lograr esto, los cilindros del motor no estaban inmóviles como en la mayoría de los motores, sino que estaban asegurados en el medio mediante muñones que permitían que los cilindros giraran hacia adelante y hacia atrás a medida que giraba el cigüeñal; de ahí el término oscilante . [27] El vapor se suministraba y expulsaba a través de los muñones. El movimiento oscilante del cilindro generalmente se usaba para alinear los puertos en los muñones para dirigir la alimentación y el escape de vapor al cilindro en los momentos correctos. Sin embargo, a menudo se proporcionaban válvulas separadas, controladas por el movimiento oscilante. Esto permitía variar la sincronización para permitir un trabajo expansivo (como en el motor del barco de remo PD Krippen ). Esto proporciona simplicidad pero aún conserva las ventajas de la compacidad.
El primer motor oscilante patentado fue construido por Joseph Maudslay en 1827, pero se considera que el tipo fue perfeccionado por John Penn . Los motores oscilantes siguieron siendo un tipo popular de motor marino durante gran parte del siglo XIX. [27]
El motor de maletero, otro tipo de motor de acción directa, se desarrolló originalmente como un medio para reducir la altura del motor manteniendo una carrera larga . (En ese momento se consideraba importante una carrera larga porque reducía la tensión sobre los componentes).
Un motor troncal ubica la biela dentro de un pistón hueco de gran diámetro. Este "baúl" casi no soporta carga. El interior del maletero está abierto al aire exterior y es lo suficientemente ancho como para acomodar el movimiento de lado a lado de la biela, que conecta un pasador en la cabeza del pistón con un cigüeñal exterior.
Las paredes del tronco estaban atornilladas al pistón o fundidas como una sola pieza con él, y se movían hacia adelante y hacia atrás con él. La parte de trabajo del cilindro tiene forma anular o de anillo, y el tronco pasa por el centro del propio cilindro. [28] [29]
Los primeros ejemplos de motores troncal tenían cilindros verticales. Sin embargo, los constructores navales rápidamente se dieron cuenta de que el tipo era lo suficientemente compacto como para colocarlo horizontalmente sobre la quilla . En esta configuración, era muy útil para las armadas, ya que tenía un perfil lo suficientemente bajo como para caber completamente debajo de la línea de flotación de un barco , lo más seguro posible del fuego enemigo. El tipo fue producido generalmente para el servicio militar por John Penn.
Los motores de maletero eran comunes en los buques de guerra de mediados del siglo XIX. [29] También impulsaban embarcaciones comerciales, donde, aunque valoradas por su tamaño compacto y bajo centro de gravedad, eran costosas de operar. Los motores troncales, sin embargo, no funcionaban bien con las presiones más altas de las calderas que prevalecieron en la segunda mitad del siglo XIX, y los constructores los abandonaron por otras soluciones. [29]
Los motores de maletero normalmente eran grandes, pero para la Guerra de Crimea se produjo una versión pequeña, producida en masa, de altas revoluciones y alta presión. Al ser bastante eficaz, el tipo persistió en cañoneras posteriores. [30] Existe un motor de maletero original del tipo cañonera en el Museo de Australia Occidental en Fremantle . Después de hundirse en 1872, fue rescatado en 1985 del SS Xantho y ahora se puede voltear a mano. [31] El modo de funcionamiento del motor, que ilustra su naturaleza compacta, puede verse en el sitio web del proyecto Xantho . [32]
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El motor de palanca vibratoria, o motor de medio tronco , fue un desarrollo del motor de tronco convencional concebido por el ingeniero sueco - estadounidense John Ericsson . Ericsson necesitaba un motor pequeño y de bajo perfil como el motor de maletero para alimentar los monitores del gobierno federal de EE.UU. , un tipo de buque de guerra desarrollado durante la Guerra Civil estadounidense que tenía muy poco espacio para un motor convencional. [33] Sin embargo, el motor del maletero en sí no era adecuado para este propósito, porque la preponderancia del peso estaba en el lado del motor que contenía el cilindro y el maletero, un problema que los diseñadores no pudieron compensar en los pequeños buques de guerra monitores.
Ericsson resolvió este problema colocando dos cilindros horizontales espalda con espalda en el medio del motor, accionando dos "palancas vibratorias", una a cada lado, que mediante ejes y palancas adicionales hacían girar un cigüeñal ubicado en el centro. [33] Los motores de palanca vibratoria se utilizaron más tarde en algunos otros buques de guerra y buques mercantes, pero su uso se limitó a los barcos construidos en los Estados Unidos y en Suecia, el país natal de Ericsson, [34] y como tenían pocas ventajas sobre los motores más convencionales. , pronto fueron suplantados por otros tipos.
El motor de acción inversa, también conocido como motor de biela de retorno , era otro motor diseñado para tener un perfil muy bajo. El motor de acción inversa era en realidad un motor de campanario modificado, colocado horizontalmente sobre la quilla de un barco en lugar de estar verticalmente sobre ella. [34] Sin embargo, en lugar del conjunto de cruceta triangular que se encuentra en un motor de campanario típico, el motor de acción inversa generalmente usaba un conjunto de dos o más vástagos de pistón paralelos alargados que terminaban en una cruceta para realizar la misma función. El término "biela de acción inversa" o "biela de retorno" deriva del hecho de que la biela "regresa" o regresa desde el lado del motor opuesto al cilindro del motor para hacer girar un cigüeñal ubicado centralmente. [35]
Los motores de acción inversa eran otro tipo de motor popular tanto en buques de guerra como en buques comerciales a mediados del siglo XIX, pero como muchos otros tipos de motores en esta era de tecnología que cambia rápidamente, finalmente fueron abandonados por otras soluciones. Solo se conoce un motor de acción inversa superviviente: el del TV Emery Rice (anteriormente USS Ranger ), ahora pieza central de una exhibición en el Museo de la Marina Mercante Estadounidense . [36] [37]
A medida que los barcos de vapor crecieron constantemente en tamaño y tonelaje a lo largo del siglo XIX, la necesidad de motores de bajo perfil y bajo centro de gravedad disminuyó en consecuencia. Liberados cada vez más de estas limitaciones de diseño, los ingenieros pudieron volver a diseños más simples, más eficientes y más fáciles de mantener. El resultado fue el creciente dominio del llamado motor "vertical" [26] (más correctamente conocido como motor vertical de acción directa invertida ).
En este tipo de motor, los cilindros están ubicados directamente encima del cigüeñal, con los conjuntos de vástago de pistón/biela formando una línea más o menos recta entre los dos. [26] La configuración es similar a la de un motor de combustión interna moderno (una diferencia notable es que la máquina de vapor es de doble acción, ver más abajo, mientras que casi todos los motores de combustión interna generan energía solo en la carrera descendente). Los motores verticales a veces se denominan motores de "martillo", "martillo de forja" o "martillo de vapor", debido a su apariencia más o menos similar a otra tecnología de vapor común del siglo XIX, el martillo de vapor . [38]
Los motores verticales reemplazaron a casi todos los demás tipos de máquinas de vapor marinas hacia finales del siglo XIX. [26] [38] Debido a que se volvieron tan comunes, los motores verticales generalmente no se denominan como tales, sino que se los denomina según la tecnología de sus cilindros, es decir, como compuestos, de triple expansión, de cuádruple expansión, etc. "para este tipo de motor es impreciso, ya que técnicamente cualquier tipo de máquina de vapor es "vertical" si el cilindro está orientado verticalmente. Un motor que alguien describe como "vertical" podría no ser del tipo vertical de acción directa invertida, a menos que utilicen el término "vertical" sin reservas.
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Una máquina de expansión simple es una máquina de vapor que expande el vapor a través de una sola etapa, es decir, todos sus cilindros funcionan a la misma presión. Dado que este era, con mucho, el tipo de motor más común en el período inicial de desarrollo de los motores marinos, el término "expansión simple" rara vez se encuentra. Se supone que un motor es de expansión simple a menos que se indique lo contrario.
Un motor compuesto es una máquina de vapor que acciona cilindros a través de más de una etapa, a diferentes niveles de presión. Los motores compuestos eran un método para mejorar la eficiencia. Hasta el desarrollo de las máquinas compuestas, las máquinas de vapor utilizaban el vapor sólo una vez antes de reciclarlo de nuevo a la caldera. Un motor compuesto recicla primero el vapor en uno o más segundos cilindros más grandes y de menor presión, para utilizar más energía térmica. Los motores compuestos podrían configurarse para aumentar la economía de un barco o su velocidad. En términos generales, un motor compuesto puede referirse a una máquina de vapor con cualquier número de cilindros de diferentes presiones; sin embargo, el término generalmente se refiere a motores que expanden el vapor a través de sólo dos etapas, es decir, aquellos que operan cilindros a sólo dos presiones diferentes (o motores de "doble expansión"). [39]
Tenga en cuenta que un motor compuesto (incluidos los motores de expansión múltiple, ver más abajo) puede tener más de un juego de cilindros de presión variable. Por ejemplo, un motor podría tener dos cilindros operando a la presión x y dos operando a la presión y, o un cilindro operando a la presión x y tres operando a la presión y. Lo que lo hace compuesto (o de doble expansión) a diferencia de la expansión múltiple es que solo hay dos presiones , x e y. [40]
El primer motor compuesto que se cree que se instaló en un barco fue el instalado en Henry Eckford por el ingeniero estadounidense James P. Allaire en 1824. Sin embargo, muchas fuentes atribuyen la "invención" del motor compuesto marino a John Elder de Glasgow en la década de 1850. Elder realizó mejoras en el motor compuesto que lo hicieron seguro y económico para viajes a través del océano por primera vez. [41] [42]
Para aprovechar plenamente sus beneficios, los motores marinos compuestos requerían presiones de caldera superiores al límite impuesto por la Junta de Comercio del Reino Unido , que sólo permitiría 25 libras por pulgada cuadrada (170 kPa). El armador e ingeniero Alfred Holt logró persuadir la autorización de presiones de caldera más altas, botando el SS Agamemnon en 1865, con calderas funcionando a 60 psi (410 kPa). La combinación de presiones de caldera más altas y un motor compuesto dio un aumento significativo en la eficiencia del combustible, permitiendo así que los barcos de vapor superaran la navegación en la ruta del Reino Unido a China, incluso antes de la apertura del Canal de Suez en 1869. [43]
Un motor de triple expansión es un motor compuesto que expande el vapor en tres etapas, por ejemplo, un motor con tres cilindros a tres presiones diferentes. Un motor de expansión cuádruple expande el vapor en cuatro etapas, y así sucesivamente. [40] Sin embargo, como se explicó anteriormente, el número de etapas de expansión define el motor, no el número de cilindros; por ejemplo, el RMS Titanic tenía motores de cuatro cilindros y triple expansión. [44] El primer uso comercial exitoso fue un motor construido en Govan en Escocia por Alexander C. Kirk para el SS Aberdeen en 1881. [45] Un experimento anterior con un motor casi idéntico en el SS Propontis en 1874 había tenido problemas con las calderas. . La instalación inicial, que funcionaba a 150 psi (1000 kPa), tuvo que ser reemplazada por un diseño diferente que funcionaba a sólo 90 psi (620 kPa). Esto fue insuficiente para aprovechar plenamente los beneficios económicos de la triple expansión. Aberdeen estaba equipado con dos calderas de acero tipo escocés de doble extremo , que funcionaban a 125 libras por pulgada cuadrada (860 kPa). Estas calderas tenían hornos corrugados patentados que superaron los problemas de transferencia de calor y resistencia suficiente para hacer frente a la presión de la caldera. Esto proporcionó la solución técnica que garantizó que prácticamente todos los barcos de vapor oceánicos de nueva construcción estuvieran equipados con motores de triple expansión a los pocos años de la entrada en servicio de Aberdeen . [46] : 106-111
La fabricación de motores de expansión múltiple continuó hasta bien entrado el siglo XX. Los 2.700 barcos Liberty construidos por Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial estaban propulsados por motores de triple expansión, porque la capacidad de Estados Unidos para fabricar turbinas de vapor marinas estaba totalmente dirigida a la construcción de buques de guerra. El mayor fabricante de motores de triple expansión durante la guerra fue Joshua Hendy Iron Works . Hacia el final de la guerra, se fabricaron en cantidades cada vez mayores barcos Victory propulsados por turbinas. [47]
Un motor anular es un tipo inusual de motor que tiene un cilindro anular (en forma de anillo). [48] Algunos de los primeros motores compuestos del ingeniero pionero estadounidense James P. Allaire eran del tipo anular, con un cilindro más pequeño de alta presión colocado en el centro de un cilindro de baja presión más grande con forma de anillo. [49] Los motores troncales eran otro tipo de motor anular. Un tercer tipo de motor marino anular utilizaba el mecanismo de conexión del motor siamés, pero en lugar de dos cilindros separados, tenía un solo cilindro de forma anular enrollado alrededor del brazo vertical de la cruceta (consulte el diagrama en "Siamés" arriba). [50]
Algunos otros términos se encuentran en la literatura sobre motores marinos de la época. Estos términos, que se enumeran a continuación, generalmente se usan junto con uno o más de los términos básicos de clasificación de motores enumerados anteriormente.
Un motor simple es un motor que funciona con una sola expansión de vapor, independientemente del número de cilindros instalados en el motor. Hasta aproximadamente mediados del siglo XIX, la mayoría de los barcos tenían motores con un solo cilindro, aunque algunos barcos tenían motores simples de múltiples cilindros y/o más de un motor.
Un motor de doble efecto es un motor en el que se aplica vapor a ambos lados del pistón. Las primeras máquinas de vapor aplicaban vapor en una sola dirección, permitiendo que el impulso o la gravedad devolvieran el pistón a su lugar inicial, pero una máquina de doble efecto utiliza vapor para forzar el pistón en ambas direcciones, aumentando así la velocidad de rotación y la potencia. [51] Al igual que el término "motor simple", el término "doble efecto" se encuentra con menos frecuencia en la literatura ya que casi todos los motores marinos eran del tipo de doble efecto.
Estos términos se refieren a la orientación del cilindro del motor. Un cilindro vertical se encuentra verticalmente con su vástago de pistón operando encima (o debajo) de él. Un motor vertical invertido se define como una disposición de cilindros verticales, con el cigüeñal montado directamente debajo de los cilindros. Con un tipo inclinado u horizontal, el cilindro y el pistón se colocan inclinados u horizontalmente. Un cilindro invertido inclinado es un cilindro invertido que funciona inclinado. Todos estos términos se utilizan generalmente junto con los tipos de motores anteriores. Así, se puede tener un motor horizontal de acción directa, o un motor compuesto inclinado de doble efecto, etc.
Los cilindros inclinados y horizontales podrían resultar muy útiles en buques de guerra, ya que su orientación mantenía el perfil del motor lo más bajo posible y, por tanto, menos susceptible a sufrir daños. [52] También podrían usarse en un barco de perfil bajo o para mantener el centro de gravedad de un barco más bajo. Además, los cilindros inclinados u horizontales tenían la ventaja de reducir la cantidad de vibraciones en comparación con un cilindro vertical.
Un motor con engranajes o "tornillo con engranajes" hace girar la hélice a un ritmo diferente al del motor. Los primeros motores de hélice marinos estaban orientados hacia arriba, es decir, la hélice estaba orientada para funcionar a una velocidad de rotación más alta que la del propio motor. [53] [54] A medida que los motores se volvieron más rápidos y potentes durante la última parte del siglo XIX, se prescindió casi universalmente del engranaje y la hélice funcionó a la misma velocidad de rotación que el motor. Esta disposición de accionamiento directo es mecánicamente más eficiente y las máquinas de vapor alternativas se adaptan bien a la velocidad de rotación más eficiente para las hélices de tornillo.
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