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Máquina de vapor de alta velocidad

Grupo electrógeno Ashworth and Parker tardío, instalado en 1988
Motor horizontal temprano con dinamo acoplado directamente

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]

Características definitorias

Motor Peter Brotherhood alrededor de 1900, suministrado a la Marina Real para generación a bordo.

Tienen dos características principales:

Esto es suficiente para accionar directamente una pequeña dinamo , en lugar de necesitar una transmisión elevadora mediante correas.
La generación mediante dinamo requiere una velocidad de rotación estable para un voltaje de salida estable, incluso cuando cambia la carga. Cuando se acciona un alternador , la frecuencia de salida también depende de una velocidad de rotación estable.

Esto también dio lugar a una serie de características secundarias que, aunque no definían el tipo, o siempre lo eran, eran reconociblemente comunes:

En este tipo de motores se utilizaba a menudo un cárter cerrado con un cárter de aceite y lubricación por " salpicaduras " o por engrasadores anulares . Algunos llegaron incluso a tener bombas de aceite accionadas por el motor y un sistema de circulación.
A medida que el cárter se volvió más importante para la lubricación, el diseño era más simple si la presión del vapor solo se aplicaba a un lado del cilindro. Esto tiene una segunda ventaja: como la fuerza del vapor ahora solo está en un lado del pistón, la fuerza sobre los cojinetes seguirá variando a lo largo de la carrera, pero ya no invierte su dirección. [i] Esto reduce los efectos de cualquier holgura en los cojinetes a alta velocidad. [3]

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]

Motor horizontal típico, que muestra el marco compacto
Motor monocilíndrico Belliss & Morcom

Motores "automáticos"

Regulador automático Ames, con contrapeso centrífugo y ballesta

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.

Lubricación

Lubricación por salpicadura del cárter cerrado

Sección de un motor cerrado, con lubricación por salpicadura de aceite.

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.

Motores de simple efecto

Motor vertical de dos cilindros y simple efecto con cárter cerrado. El regulador se puede ver dentro del cárter.

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.

Motores de doble efecto y la invención de la lubricación a presión

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]

Véase también

Notas

  1. ^ La misma dirección de fuerza constante es una característica del motor de combustión interna de dos tiempos , aunque no del de cuatro tiempos .
  2. ^ Las primeras de estas plantas se fabricaron para alumbrado público o para tranvías eléctricos , algunos años antes de que se popularizara el suministro eléctrico doméstico.
  3. ^ El aceite de vapor que se utilizaba dentro del cilindro era a menudo de un grado diferente al del aceite para cojinetes, especialmente si el suministro de vapor estaba sobrecalentado .

Referencias

  1. ^ abc Motor de vapor de alta velocidad. Scientific American. 1921. {{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda ) , 400 a 1.200 rpm
  2. ^ Kennedy, Rankin (1912). The Book of Modern Engines and Power Generators . Vol. IV (edición de 1912 de la edición en formato libro de 1905). Londres: Caxton. págs. 195–215.
  3. ^ abc "Máquinas de vapor de alta velocidad". 20 de diciembre de 2005.
  4. ^ Hawkins, Nehemiah (1897). Nuevo catecismo de la máquina de vapor. Nueva York: Theo Audel.
  5. ^ Dalby, William Ernest (octubre de 2008). Válvulas y mecanismos de válvulas. BiblioBazaar. ISBN 9780559366307.
  6. ^ Hawkins, Nuevo catecismo de la máquina de vapor, págs. 100-101.
  7. ^ Kennedy, Rankin (1903). Producción de energía eléctrica, motores primarios, generadores y motores . Instalaciones eléctricas. Vol. III (edición de 1903 (cinco volúmenes) de la edición de cuatro volúmenes anterior a 1903). Londres: Caxton. págs. 78-80.
  8. ^ ab Hawkins, Nuevo catecismo de la máquina de vapor, pág. 105.
  9. ^ Hawkins, Nuevo catecismo de la máquina de vapor, págs. 110-113.
  10. ^ Storer, JD (1969). "11: Motores de vapor de alta velocidad". Una historia sencilla de la máquina de vapor . John Baker. págs. 155-156. ISBN 0212-98356-3.

Lectura adicional