Las máquinas de vapor de alta velocidad fueron uno de los desarrollos finales de la máquina de vapor estacionaria . Funcionaban a una velocidad elevada, de varios cientos de rpm, [1] necesaria para tareas como la generación de electricidad. [2]
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Tienen dos características principales:
Esto también dio lugar a una serie de características secundarias que, aunque no definían el tipo, o siempre lo eran, eran reconociblemente comunes:
En las plantas más grandes de la ciudad no se necesitaban altas velocidades para generar energía eléctrica. [ii] Como estas plantas eran necesariamente grandes, también podían utilizar dinamos de gran diámetro con muchas piezas polares. Esto proporcionaba la velocidad lineal necesaria (en polos pasados/tiempo) para una velocidad de eje rotacional más baja.
Estos motores se fabricaron con ciclos operativos simples o compuestos . Los modelos más pequeños solían ser simples, ya que las dificultades para lograr una buena regulación superaban las eficiencias de la combinación. Los motores de alta velocidad se ganaron la reputación de ser derrochadores. [1] En el caso de los motores más grandes, el ahorro en el costo del combustible valía la pena y se utilizaban diseños compuestos como el motor Willans .
También utilizaban una amplia gama de válvulas. Eran comunes los modelos con válvulas de corredera o de pistón. Los motores de acción simple con varios cilindros solían compartir una válvula de pistón entre dos cilindros, ya fuera entre ellos o en posición horizontal sobre ellos. [1]
El mecanismo de válvulas que accionaba estas válvulas era generalmente simple, una única excéntrica diseñada para funcionar únicamente a una velocidad, en una dirección, para una carga bastante constante. Aunque estos motores eran contemporáneos de mecanismos de válvulas sofisticados y eficientes como el Corliss , estas válvulas de disparo no eran capaces de funcionar con la suficiente rapidez. [3] [4] [5]
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Un requisito clave para la máquina de vapor de alta velocidad era el control preciso de una velocidad constante, incluso bajo una carga que cambiaba rápidamente. Aunque el control de las máquinas de vapor mediante un regulador centrífugo se remonta a Watt , este control era inadecuado. Estos primeros reguladores operaban una válvula de mariposa para controlar el flujo de vapor hacia la máquina. Esto proporciona un control con una respuesta inadecuada para la velocidad constante necesaria para la generación de electricidad.
La solución desarrollada para los motores de vapor de alta velocidad fue el regulador "automático". En lugar de controlar el caudal de vapor, controlaba la sincronización o " corte " de las válvulas de entrada. [6] [7] Este regulador se intercalaba entre el cigüeñal y el excéntrico que impulsaba el mecanismo de válvulas. A menudo se fabricaba como parte del volante del motor. Un peso centrífugo en el regulador se movía contra un resorte a medida que aumentaba la velocidad. Esto hacía que la posición del excéntrico cambiara con respecto al cigüeñal, modificando la sincronización de las válvulas y provocando un corte prematuro. Como este control actuaba directamente en el puerto del cilindro, en lugar de a través de un tubo largo desde una válvula de mariposa, podía actuar muy rápido.
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La lubricación de los primeros motores de alta velocidad, como el Ideal (un motor horizontal de cigüeñal abierto), [8] se realizó mediante un desarrollo de los sistemas de copa de aceite previamente generalizados en los motores estacionarios de velocidad media. Las copas de aceite y los lubricadores multipunto podían engrasar los cojinetes del eje lo suficientemente bien y un solo visor podía ser observado por incluso el maquinista o engrasador más descuidado . La dificultad era que en los motores de alta velocidad, los engrasadores ya no podían montarse en piezas móviles, como la cruceta o la biela. Cualquier depósito de aceite aquí se agitaría por el movimiento y una reserva tan necesariamente pequeña también podría ser una incapacidad inadecuada para un motor que realizaba tanto trabajo en un espacio pequeño. Por lo tanto, se prestó más atención a la minuciosidad de la lubricación, y las piezas móviles como el muñón del cigüeñal se alimentaban mediante perforaciones a través del cigüeñal desde suministros de aceite que giraban pero no se movían, como los cojinetes principales. También se utilizó la fuerza centrífuga para distribuir el aceite. [8] Era habitual que los motores de alta velocidad tuvieran solo uno o dos lubricadores, [iii] de modo que el mantenimiento del motor era una tarea más sencilla y menos propensa a averías por simple descuido y por dejar el lubricador sin aceite.
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A medida que aumentaron las velocidades, el motor de alta velocidad evolucionó hacia su forma desarrollada de motor vertical multicilíndrico con un cárter cerrado . También hubo una tendencia a utilizar pistones de simple efecto . Esto tenía dos ventajas: la lubricación podía proporcionarse mediante un generoso sistema de "salpicaduras" dentro del cárter que también ayudaba con la refrigeración y, en segundo lugar, las fuerzas en un motor de simple efecto siempre actúan de la misma manera, como una fuerza de compresión a lo largo de la varilla del pistón y la biela. Esto significaba que incluso si las holguras de un cojinete eran relativamente flojas, el cojinete siempre se mantenía apretado. Se podían aceptar cojinetes flojos y, por lo tanto, de funcionamiento libre. Un ejemplo de un motor de este tipo serían los motores Westinghouse de dos cilindros . [9] Estos motores usaban un pistón troncal , como el que se usa en los motores de combustión interna en la actualidad, donde no hay una cruceta separada y el pasador del muñón de la biela se mueve hacia arriba dentro del propio pistón. Esto proporciona un diseño muy compacto, pero obviamente requiere un pistón de simple efecto. Los cojinetes principales del cigüeñal de este motor estaban provistos de engrasadores separados que drenaban hacia el cárter del cigüeñal. Se reconoció que el aceite del cárter se contaminaría con agua proveniente del vapor condensado y el escape de los pistones. Se proporcionó una válvula para drenar este condensado acumulado debajo del aceite en el fondo del cárter profundo.
El importante concepto de lubricación a presión de los cojinetes del motor comenzó con los motores de vapor de alta velocidad y ahora es una parte vital de los motores de combustión interna . Esto es confiable como sistema de lubricación y también permite el uso de cojinetes hidrostáticos ("cuña de aceite") que pueden soportar mayores cargas. Las primeras patentes para esto fueron otorgadas a Belliss & Morcom en 1890, a partir del trabajo de su dibujante Albert Charles Pain. [3] Belliss & Morcom prefería cilindros de doble efecto, para producir los motores más pequeños posibles para una potencia dada; uno de sus principales mercados, como Peter Brotherhood , era el suministro de grupos electrógenos a la Marina Real para su uso en los confines de la sala de máquinas de un buque de guerra. La dificultad de un motor de doble efecto era que la dirección de las fuerzas en la biela ahora se invierte entre compresión y tensión, por lo que las holguras de los cojinetes deben hacerse más ajustadas para evitar cualquier traqueteo. Belliss y Morcom desarrollaron un motor de dos cilindros de 20 bhp a 625 rpm que utilizaba una pequeña bomba de aceite independiente para suministrar aceite a presión a los cojinetes del cigüeñal, a través de largos orificios perforados en el cigüeñal. Esto proporcionaba lubricación y refrigeración fiables y la presión de la película de aceite era suficiente para permitir el uso de motores de doble efecto con una holgura adecuada para proporcionar un funcionamiento libre. [10]
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