El tipo de máquina de vapor de flujo único utiliza vapor que fluye en una sola dirección en cada mitad del cilindro. La eficiencia térmica aumenta al tener un gradiente de temperatura a lo largo del cilindro. El vapor siempre entra por los extremos calientes del cilindro y sale a través de los puertos en el centro del refrigerador. De esta manera se reduce el calentamiento y enfriamiento relativo de las paredes del cilindro.
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La entrada de vapor suele estar controlada por válvulas de asiento (que actúan de manera similar a las utilizadas en los motores de combustión interna ) que son accionadas por un árbol de levas . Las válvulas de entrada se abren para admitir vapor cuando se alcanza el volumen mínimo de expansión al inicio de la carrera. Durante un período del ciclo de cigüeñal, se admite vapor y luego se cierra la entrada del obturador, lo que permite la expansión continua del vapor durante la carrera, impulsando el pistón. Cerca del final de la carrera, el pistón descubrirá un anillo de puertos de escape montados radialmente alrededor del centro del cilindro. Estos puertos están conectados por un colector y una tubería al condensador, lo que reduce la presión en la cámara por debajo de la de la atmósfera, lo que provoca un rápido escape. La rotación continua de la manivela mueve el pistón. En la animación, se pueden ver las características de un motor uniflow, con un pistón grande de casi la mitad de la longitud del cilindro, válvulas de admisión de asiento en cada extremo, un árbol de levas (cuyo movimiento se deriva del del eje de transmisión) y un anillo central. de los puertos de escape.
Los motores Uniflow permiten potencialmente una mayor expansión en un solo cilindro sin que el vapor de escape relativamente frío fluya a través del extremo caliente del cilindro de trabajo y los puertos de vapor de una máquina de vapor de "contraflujo" convencional durante la carrera de escape. Esta condición permite una mayor eficiencia térmica. Los puertos de escape están abiertos sólo durante una pequeña fracción de la carrera del pistón, y se cierran justo después de que el pistón comienza a viajar hacia el extremo de admisión del cilindro. El vapor que queda dentro del cilindro después de cerrar los puertos de escape queda atrapado y el pistón de retorno comprime este vapor atrapado. Esto es termodinámicamente deseable ya que precalienta el extremo caliente del cilindro antes de la admisión de vapor. Sin embargo, el riesgo de una compresión excesiva a menudo resulta en que se incluyan pequeños puertos de escape auxiliares en las culatas. Este diseño se llama motor semi-uniflow.
Los motores de este tipo suelen tener varios cilindros dispuestos en línea y pueden ser de simple o doble efecto. Una ventaja particular de este tipo es que las válvulas pueden funcionar por el efecto de múltiples árboles de levas, y al cambiar la fase relativa de estos árboles de levas, la cantidad de vapor admitida puede aumentarse para un par alto a baja velocidad, y puede disminuirse a baja velocidad. Velocidad de crucero para economía de operación. Alternativamente, los diseños que utilizaban una superficie de leva más compleja permitían variar la sincronización desplazando todo el árbol de levas longitudinalmente en comparación con su seguidor, lo que permitía variar la sincronización de admisión. (El árbol de levas podría desplazarse mediante dispositivos mecánicos o hidráulicos). Y, al cambiar la fase absoluta, se puede cambiar la dirección de rotación del motor. El diseño de flujo único también mantiene un gradiente de temperatura constante a través del cilindro, evitando el paso de vapor frío y caliente por el mismo extremo del cilindro.
En la práctica, el motor Uniflow tiene una serie de deficiencias operativas. La gran relación de expansión requiere un gran volumen de cilindro. Para obtener el máximo trabajo potencial del motor se requiere una alta velocidad de movimiento alternativo, generalmente un 80% más rápida que un motor de contraflujo de doble acción. Esto provoca que los tiempos de apertura de las válvulas de entrada sean muy cortos, ejerciendo una gran tensión sobre una parte mecánica delicada. Para soportar las enormes fuerzas mecánicas encontradas, los motores deben ser de construcción pesada y se necesita un gran volante para suavizar las variaciones de par a medida que la presión del vapor sube y baja rápidamente en el cilindro. Debido a que hay un gradiente térmico a través del cilindro, el metal de la pared se expande en diferentes grados. Esto requiere que el diámetro interior del cilindro sea mecanizado más ancho en el centro frío que en los extremos calientes. Si el cilindro no se calienta correctamente, o si entra agua, el delicado equilibrio puede alterarse y causar agarrotamiento a mitad de carrera o, potencialmente, destrucción.
El motor uniflow fue utilizado por primera vez en Gran Bretaña en 1827 por Jacob Perkins y fue patentado en 1885 por Leonard Jennett Todd. Fue popularizado por el ingeniero alemán Johann Stumpf en 1909, y el primer motor estacionario comercial se produjo un año antes, en 1908.
El principio uniflow se utilizó principalmente para la generación de energía industrial, pero también se probó en algunas locomotoras ferroviarias en Inglaterra, como las locomotoras uniflow del North Eastern Railway No.825 de 1913 y No.2212 de 1918, [1] y Midland . Locomotora Paget de ferrocarril . También se realizaron experimentos en Francia, [2] Alemania, Estados Unidos y Rusia. [1] En ningún caso los resultados fueron lo suficientemente alentadores como para emprender un mayor desarrollo.
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La primera utilización a gran escala de un motor Uniflow fue en los vagones de vapor Atkinson , en 1918. [3] Se sabe que sólo existe un vagón de vapor de este tipo; Fue construido en 1918, pasó su vida útil y un período de abandono en Australia, y luego fue repatriado a Inglaterra y restaurado por Tom Varley en 1976-77. [4] [5]
La evolución comercial final del motor uniflow se produjo en los Estados Unidos a finales de los años 1930 y 1940 por Skinner Engine Company con el desarrollo del motor de vapor marino compuesto sin flujo. [1] Este motor funciona en una configuración compuesta de campanario y proporciona eficiencias cercanas a los motores diésel contemporáneos. Muchos transbordadores de automóviles en los Grandes Lagos estaban equipados de esta manera, uno de los cuales todavía está en funcionamiento, el SS Badger de 1952. El portaaviones de escolta de la clase Casablanca , el diseño de portaaviones más prolífico de la historia, utilizaba dos motores Skinner Unaflow de 5 cilindros, pero estos no eran compuestos de campanario. Un Skinner Uniflow no compuesto permaneció en servicio hasta 2013 en el transportador de cemento SS St. Marys Challenger de los Grandes Lagos , instalado cuando el buque fue repotenciado en 1950.
En tamaños pequeños (menos de aproximadamente 1000 hp (750 kW)), las máquinas de vapor alternativas son mucho más eficientes que las turbinas de vapor. La central solar White Cliffs utilizó un motor uniflow de tres cilindros con válvulas de admisión tipo " Bash " para generar aproximadamente 25 kW de potencia eléctrica.
La configuración del motor de vapor de flujo único y de simple efecto se parece mucho a la de un motor de combustión interna de dos tiempos , y es posible convertir un motor de dos tiempos en un motor de vapor de flujo único alimentando el cilindro con vapor a través de una " válvula de descarga " instalada en lugar de la bujía. [6] A medida que el pistón ascendente se acerca a la parte superior de su carrera, abre la válvula de golpe para admitir un pulso de vapor. La válvula se cierra automáticamente a medida que el pistón desciende y el vapor sale a través de las conexiones existentes del cilindro. La inercia del volante luego lleva el pistón de regreso a la parte superior de su carrera contra la compresión, como lo hace en la forma original del motor. Al igual que el original, la conversión no se inicia automáticamente y debe encenderse mediante una fuente de alimentación externa para comenzar. Un ejemplo de este tipo de conversión es el ciclomotor de vapor, que se pone en marcha pedaleando. [7]
