Una máquina de vapor marina es una máquina de vapor que se utiliza para propulsar un barco o una embarcación . Este artículo trata principalmente de las máquinas de vapor marinas de tipo alternativo , que se utilizaron desde el inicio 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 de la máquina de vapor introducidas por James Watt en la segunda mitad del siglo XVIII mejoraron enormemente la eficiencia de la máquina de vapor y permitieron configuraciones de motor 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] Los inventores rivales James Rumsey y John Fitch fueron los primeros en construir barcos de vapor en los Estados Unidos. Rumsey exhibió su diseño de barco de vapor en 1787 en el río Potomac; sin embargo, Fitch ganó la rivalidad en 1790 después de que su prueba exitosa diera como resultado 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, simplemente conocido 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 en ambos lados del Atlántico . Los barcos de vapor inicialmente tenían un alcance corto y no eran particularmente aptos para navegar debido a su peso, baja potencia y tendencia a estropearse, pero se emplearon con éxito a lo largo de ríos y canales, y para viajes cortos a lo largo de la costa. La primera travesía transatlántica exitosa realizada por un barco de vapor ocurrió en 1819 cuando el Savannah navegó desde Savannah, Georgia , a Liverpool, Inglaterra . El primer barco de vapor en realizar 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 simultáneamente. La propulsión con paletas dio paso gradualmente a la hélice de tornillo , y la introducción de cascos de hierro y, más tarde, de acero para reemplazar el casco tradicional de madera permitió que los barcos fueran cada vez más grandes, lo que requirió plantas de energía a vapor cada vez más complejas y potentes. [4]
A lo largo del siglo XIX se desarrolló una amplia variedad de máquinas de vapor marinas de movimiento alternativo. Los dos métodos principales para clasificar dichas máquinas 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 distintos métodos para suministrar potencia al cigüeñal (es decir, mecanismo de conexión). Por lo tanto, los primeros motores marinos se clasifican principalmente según su mecanismo de conexión. Algunos mecanismos de conexión comunes eran los de palanca lateral, de campanario, de viga móvil y de acción directa (ver las secciones siguientes).
Sin embargo, las máquinas de vapor también se pueden clasificar según la tecnología de los cilindros (simple-expansión, compuesta, anular, etc.). Por lo tanto, se pueden encontrar ejemplos de máquinas clasificadas según ambos métodos. Una máquina puede ser de tipo compuesto de vigas móviles, siendo compuesta la tecnología de cilindros y siendo vigas móviles el método de conexión. Con el tiempo, a medida que la mayoría de las máquinas se volvieron de acción directa pero las tecnologías de cilindros se volvieron más complejas, la gente comenzó a clasificar las máquinas únicamente según la tecnología de cilindros.
En las siguientes secciones se enumeran los tipos de motores de vapor marinos más comunes. Tenga en cuenta que no todos estos términos son exclusivos de las aplicaciones marinas.
El motor de palanca lateral fue el primer tipo de motor de vapor ampliamente adoptado para uso marino en Europa . [5] [6] En los primeros años de la navegación a vapor (desde c1815), el motor de palanca lateral fue el tipo de motor marino más común para vías navegables interiores y servicio costero en Europa, y siguió siendo durante muchos años el motor preferido para el servicio oceánico en ambos lados del Atlántico . [7]
La palanca lateral era una adaptación de la forma más temprana de máquina de vapor, la máquina de vigas . La típica máquina de palanca lateral tenía un par de vigas de hierro horizontales pesadas, conocidas como palancas laterales, que se conectaban en el centro a la parte inferior de la máquina con un pasador. Esta conexión permitía un arco limitado para que las palancas pivotaran. Estas palancas se extendían, en el lado del cilindro, a cada lado de la parte inferior del cilindro vertical de la máquina. Una varilla de pistón, conectada verticalmente al pistón, se extendía desde la parte superior del cilindro. Esta varilla estaba unida a una cruceta horizontal, conectada en cada extremo a varillas verticales (conocidas como varillas laterales). Estas varillas se conectaban hacia abajo a las palancas en cada lado del cilindro. Esto formaba la conexión de las palancas al pistón en el lado del cilindro de la máquina. El otro lado de las palancas (el extremo opuesto del pivote de la palanca al cilindro) estaba conectado entre sí con una cruceta horizontal. Esta cruceta a su vez se 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 navegación interior y costero, pronto lo reemplazaron diseños más ligeros y eficientes. Sin embargo, siguió siendo el tipo de motor dominante para el servicio oceánico durante gran parte de la primera mitad del siglo XIX, debido a su centro de gravedad relativamente bajo , que le 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, que usaban calderas ajustadas a una presión máxima de 4 psi. [9] Las bajas presiones de vapor dictaron los grandes tamaños de cilindro para los motores de palanca lateral, aunque la presión efectiva en 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 rueda de paletas y no era adecuado para impulsar hélices de tornillo . El último barco construido para el servicio transatlántico que tenía un motor de palanca lateral fue el vapor de paletas RMS Scotia de Cunard Line , considerado un anacronismo cuando entró en servicio en 1862. [10]
El motor de saltamontes o de "media palanca" [11] era una variante del motor de palanca lateral. El motor de saltamontes 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 a la palanca entre el cilindro en un extremo y el pivote en el otro. [12]
Las principales ventajas del motor Grasshopper eran su bajo coste de construcción y su robustez, y se decía que este tipo requería menos mantenimiento que cualquier otro tipo de motor de vapor marino. Otra ventaja era que el motor podía ponerse en marcha fácilmente desde cualquier posición de la manivela. Sin embargo, al igual que el motor convencional de palanca lateral, 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 de aserradero , de estructura cuadrada o de bastidor en A , era un tipo de motor de rueda de paletas utilizado en los Estados Unidos. Fue el tipo de motor más común en los primeros años de la navegación a vapor estadounidense. [13]
El motor de cruceta se describe como un motor que tiene un cilindro vertical sobre el cigüeñal, con el vástago del pistón asegurado a una cruceta horizontal, desde cada extremo del cual, en lados opuestos del cilindro, se extendía una biela que giraba su propio cigüeñal separado. [14] La cruceta se movía dentro de guías verticales para que el conjunto mantuviera la trayectoria correcta mientras se movía. [15] El nombre alternativo del motor, "bastidor en A", probablemente derivaba de la forma de los marcos que sostenían 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 era la instalación de volantes de inercia, engranados con los cigüeñales, que se creían necesarios para garantizar un funcionamiento suave. Estos engranajes a menudo eran ruidosos durante el funcionamiento.
Debido a que el cilindro estaba por encima del cigüeñal en este tipo de motor, tenía un centro de gravedad alto y, por lo tanto, se consideró inadecuado para el servicio oceánico. [16] Esto lo confinó en gran medida a los buques construidos para vías navegables interiores. [14] A medida que los motores marinos se hicieron cada vez más grandes y pesados a lo largo del siglo XIX, el centro de gravedad alto de los motores de cruceta cuadrada se volvió cada vez más impráctico y, en la década de 1840, los constructores de barcos 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 ello, 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 " tal como se aplica 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 adaptación temprana del motor de viga, pero su uso se limitó casi por completo a los Estados Unidos. [18] Después de su introducción, la viga móvil se convirtió rápidamente en el tipo de motor más popular en Estados Unidos para el servicio de navegación interior y costero, y el tipo demostró tener una longevidad notable, con motores de viga móvil que todavía se fabricaban ocasionalmente hasta la década de 1940. En aplicaciones marinas, la propia viga generalmente se reforzaba con puntales de hierro que le daban una forma característica de diamante, aunque los soportes sobre los que descansaba la viga a menudo estaban construidos de madera. El adjetivo "caminante" se aplicó porque la viga, que se elevaba por encima de la cubierta del barco, se podía ver en funcionamiento, y su movimiento de balanceo se comparó (de manera algo fantasiosa) con un movimiento de caminar.
Los motores de vigas móviles eran un tipo de motor de rueda de paletas y rara vez se utilizaban para impulsar hélices. Se utilizaban principalmente para barcos y embarcaciones que navegaban en ríos, lagos y a lo largo de la costa, pero eran una opción menos popular para los buques de navegación marítima porque la gran altura del motor hacía que el buque fuera menos estable en mares agitados. [19] También tenían un uso militar limitado, porque el motor estaba expuesto al fuego enemigo y, por lo tanto, podía inutilizarse fácilmente. Su popularidad en los Estados Unidos se debió principalmente al hecho de que el motor de vigas móviles era 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 vigas móviles siguieron siendo populares en las líneas navieras y las operaciones de excursión estadounidenses hasta principios del siglo XX. Aunque el motor de vigas móviles estaba técnicamente obsoleto a finales del siglo XIX, siguió siendo popular entre los pasajeros de los barcos de excursión que esperaban ver el "motor de vigas móviles" en movimiento. También hubo razones técnicas para mantener el motor de vigas móviles en Estados Unidos, ya que era más fácil de construir y requería menos precisión en su construcción. Se podía 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 los 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 vigas móviles era un factor menos 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 los propietarios de líneas navieras estadounidenses, que se aferraron tenazmente a tecnologías obsoletas como la viga móvil y su rueda de paletas asociada mucho después de que hubieran sido abandonadas en otras partes del mundo. [20]
El motor de campanario, a veces denominado motor de "cruceta", fue un intento temprano de romper con el concepto de viga común a los tipos de viga móvil y palanca lateral, y llegar a un diseño más pequeño, ligero y 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 bielas, a través de una guía vertical en la parte superior del 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 refinó 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 vigas móviles, pero mucho más estrechas lateralmente, lo que ahorraba espacio y peso. Debido a su altura y a su alto centro de gravedad, se consideraban, al igual que las de vigas móviles, menos apropiadas para el servicio oceánico, pero siguieron siendo muy populares durante varias décadas, especialmente en Europa, para embarcaciones de navegación interior y costeras. [22]
Los motores de campanario comenzaron a aparecer en los barcos de vapor en la década de 1830 y el tipo fue perfeccionado a principios de la década de 1840 por el constructor naval escocés David Napier . [23] El motor de campanario fue reemplazado gradualmente por los diversos tipos de motor de acción directa.
El motor siamés, también conocido como motor de "doble cilindro" o "bicilíndrico", fue otra alternativa temprana 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 de pistón 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, lo que permitía que el conjunto mantuviera la trayectoria correcta a medida que 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 la misma aceptación generalizada, ya que era solo marginalmente más pequeño y liviano que los motores de palanca lateral 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 .
En la literatura del siglo XIX se encuentran dos definiciones de motor de acción directa. La definición anterior aplica el término "de acción directa" a cualquier tipo de motor que no sea de viga (es decir, de viga móvil, de palanca lateral o de saltamontes). La definición posterior solo utiliza el término para motores que aplican potencia directamente al cigüeñal a través de la biela y/o la biela. [26] A menos que se indique lo contrario, este artículo utiliza la definición posterior.
A diferencia de los motores de palanca lateral o de viga, los motores de acción directa podían 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 palanca lateral o de viga. La Marina Real descubrió que, en promedio, un motor de acción directa (definición temprana) pesaba un 40% menos y requería una sala de máquinas de solo dos tercios del tamaño de la de un motor de palanca lateral de potencia equivalente. Una desventaja de estos motores es que eran más propensos al desgaste y, por lo tanto, requerían más mantenimiento. [25]
Un motor oscilante era un tipo de motor de acción directa que fue diseñado para lograr mayores reducciones en el tamaño y 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 asegurados en el medio por muñones que permitían que los propios cilindros pivotaran hacia adelante y hacia atrás mientras el cigüeñal giraba, de ahí el término, oscilante . [27] El vapor se suministraba y se expulsaba a través de los muñones. El movimiento oscilante del cilindro se usaba generalmente 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 paletas 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 tronco, otro tipo de motor de acción directa, se desarrolló originalmente como un medio para reducir la altura del motor y al mismo tiempo conservar una carrera larga . (En ese momento, una carrera larga se consideraba importante porque reducía la tensión sobre los componentes).
Un motor de tronco ubica la biela dentro de un pistón hueco de gran diámetro. Este "tronco" casi no soporta carga. El interior del tronco está abierto al aire exterior y es lo suficientemente ancho como para permitir el movimiento lateral de la biela, que une un pasador de pistón en la cabeza del pistón a un cigüeñal exterior.
Las paredes del tronco estaban atornilladas al pistón o fundidas en 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 de tronco tenían cilindros verticales. Sin embargo, los constructores de barcos se dieron cuenta rápidamente de que el tipo era lo suficientemente compacto como para colocarse horizontalmente sobre la quilla . En esta configuración, era muy útil para las armadas, ya que tenía un perfil lo suficientemente bajo como para encajar completamente debajo de la línea de flotación de un barco , lo más a salvo posible del fuego enemigo. El tipo fue producido generalmente para el servicio militar por John Penn.
Los motores de tronco eran comunes en los buques de guerra de mediados del siglo XIX. [29] También se utilizaban en buques comerciales, donde, aunque se valoraban por su tamaño compacto y su bajo centro de gravedad, su funcionamiento era costoso. Sin embargo, los motores de tronco no funcionaban bien con las mayores presiones de caldera que se hicieron habituales en la segunda mitad del siglo XIX, y los constructores los abandonaron en favor de otras soluciones. [29]
Los motores de tronco eran normalmente grandes, pero se fabricó una versión pequeña, de alta revolución y alta presión producida en serie para la Guerra de Crimea. Al ser bastante eficaz, el tipo persistió en los cañoneros posteriores. [30] Existe un motor de tronco original del tipo de cañonero en el Museo de Australia Occidental en Fremantle . Después de hundirse en 1872, fue sacado a flote en 1985 del SS Xantho y ahora se puede girar a mano. [31] El modo de funcionamiento del motor, que ilustra su naturaleza compacta, se puede ver 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 perfil bajo como el motor de tronco para impulsar los monitores del gobierno federal de los 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 de tronco 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 tronco, un problema que los diseñadores no pudieron compensar en los pequeños buques de guerra de monitores.
Ericsson resolvió este problema colocando dos cilindros horizontales uno detrás del otro en el medio del motor, que accionaban dos "palancas vibratorias", una a cada lado, que por medio de ejes y palancas adicionales hacían girar un cigüeñal ubicado en el centro. [33] Los motores de palanca vibratoria se utilizaron más tarde en otros buques de guerra y mercantes, pero su uso se limitó a los barcos construidos en los Estados Unidos y en el país natal de Ericsson, Suecia, [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 , fue otro motor diseñado para tener un perfil muy bajo. El motor de acción inversa era en efecto un motor de campanario modificado, colocado horizontalmente a través de 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 bielas alargadas y paralelas que terminaban en una cruceta para realizar la misma función. El término "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 fueron otro tipo de motor popular tanto en los buques de guerra como en los buques comerciales a mediados del siglo XIX, pero como muchos otros tipos de motores en esta era de tecnología que cambiaba rápidamente, finalmente se abandonaron en favor de otras soluciones. Solo se conoce un motor de acción inversa que sobrevivió: el del TV Emery Rice (anteriormente USS Ranger ), ahora la pieza central de una exhibición en el Museo de la Marina Mercante Estadounidense . [36] [37]
A medida que los barcos de vapor fueron creciendo en tamaño y tonelaje a lo largo del siglo XIX, la necesidad de motores de perfil bajo y centro de gravedad bajo disminuyó en consecuencia. Liberados cada vez más de estas limitaciones de diseño, los ingenieros pudieron volver a diseños más simples, más eficientes y de más fácil mantenimiento. El resultado fue el creciente predominio 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 sobre el cigüeñal, con los conjuntos de biela/vástago 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 el motor de vapor es de doble efecto, 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 aproximadamente similar a otra tecnología de vapor común del siglo XIX, el martillo de vapor . [38]
Los motores verticales llegaron a reemplazar 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 no suelen denominarse así, sino que se los menciona en función de la tecnología de sus cilindros, es decir, compuestos, de triple expansión, de cuádruple expansión, etc. El término "vertical" para este tipo de motor es impreciso, ya que técnicamente cualquier tipo de motor de vapor es "vertical" si el cilindro está orientado verticalmente. Un motor que alguien describe como "vertical" podría no ser del tipo vertical invertido de acción directa, a menos que use el término "vertical" sin calificación.
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Un motor de expansión simple es un motor de vapor que expande el vapor en una sola etapa, es decir, todos sus cilindros funcionan a la misma presión. Dado que este era, con diferencia, el tipo de motor más común en el período inicial del desarrollo de los motores marinos, rara vez se utiliza el término "expansión simple". Se supone que un motor es de expansión simple a menos que se indique lo contrario.
Un motor compuesto es un motor de vapor que hace funcionar 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 los motores compuestos, los motores de vapor usaban el vapor solo una vez antes de reciclarlo de nuevo a la caldera. Un motor compuesto recicla el vapor primero en uno o más segundos cilindros más grandes y de menor presión, para usar más de su 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 un motor de vapor con cualquier número de cilindros de diferente presión; sin embargo, el término generalmente se refiere a motores que expanden el vapor a través de solo dos etapas, es decir, aquellos que hacen funcionar cilindros a solo dos presiones diferentes (o motores de "doble expansión"). [39]
Tenga en cuenta que un motor compuesto (incluidos los motores de expansión múltiple, consulte a continuación) puede tener más de un conjunto de cilindros de presión variable. Por ejemplo, un motor puede tener dos cilindros que funcionan a una presión x y dos que funcionan a una presión y, o un cilindro que funciona a una presión x y tres que funcionan a una presión y. Lo que lo convierte en compuesto (o de doble expansión) en oposición a los de 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 que instaló el ingeniero estadounidense James P. Allaire en Henry Eckford 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 los viajes oceánicos por primera vez. [41] [42]
Para aprovechar al máximo sus ventajas, los motores marinos compuestos requerían presiones de caldera superiores al límite impuesto por la Junta de Comercio del Reino Unido , que solo permitía 25 libras por pulgada cuadrada (170 kPa). El armador e ingeniero Alfred Holt logró persuadir a la empresa para que autorizara presiones de caldera más altas y botó 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 lugar a un aumento significativo de la eficiencia del combustible, lo que permitió a los barcos de vapor superar a la vela en la ruta desde el 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 cuádruple expansión 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 triple expansión de cuatro cilindros. [44] El primer uso comercial exitoso fue un motor construido en Govan , 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 solo 90 psi (620 kPa). Esto fue insuficiente para aprovechar por completo los beneficios económicos de la triple expansión. El Aberdeen estaba equipado con dos calderas de acero de doble extremo de tipo escocés , que funcionaban a 125 psi (860 kPa). Estas calderas tenían hornos corrugados patentados que superaban los problemas de transferencia de calor y la resistencia suficiente para lidiar con la presión de la caldera. Esto proporcionó la solución técnica que aseguró 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 del 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 los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial estaban propulsados por motores de triple expansión, porque la capacidad de los EE. UU. 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 cada vez más 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 más grande de baja presión en forma de anillo. [49] Los motores de tronco eran otro tipo de motor anular. Un tercer tipo de motor marino anular usaba el mecanismo de conexión del motor siamés, pero en lugar de dos cilindros separados, tenía un solo cilindro de forma anular envuelto alrededor del brazo vertical de la cruceta (ver el diagrama bajo "Siamés" arriba). [50]
En la literatura sobre motores marinos de la época se encuentran otros términos. Estos términos, que se enumeran a continuación, se utilizan habitualmente 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 que tenga instalados. Hasta mediados del siglo XIX, la mayoría de los barcos tenían motores de un solo cilindro, aunque algunos buques tenían motores simples de varios cilindros o más de un motor.
Un motor de doble efecto es un motor en el que se aplica vapor a ambos lados del pistón. Los primeros motores de vapor aplicaban vapor en una sola dirección, lo que permitía que el impulso o la gravedad devolvieran el pistón a su posición inicial, pero un motor de doble efecto utiliza vapor para forzar el pistón en ambas direcciones, lo que aumenta 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 en posición vertical con su vástago de pistón operando por encima (o por debajo) de él. Un motor vertical invertido se define como una disposición de cilindro vertical, con el cigüeñal montado directamente debajo del cilindro o cilindros. En un tipo inclinado u horizontal, el cilindro y el pistón se colocan en una posición inclinada u horizontal. Un cilindro invertido inclinado es un cilindro invertido que opera en una posición inclinada. Estos términos se utilizan generalmente en conjunción con los tipos de motor anteriores. Por lo tanto, se puede tener un motor de acción directa horizontal o un motor inclinado de doble acción compuesto, etc.
Los cilindros inclinados y horizontales podrían ser muy útiles en los buques de guerra, ya que su orientación mantenía el perfil del motor lo más bajo posible y, por lo tanto, menos susceptible a 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 vibración en comparación con un cilindro vertical.
Un motor con engranajes o "tornillo con engranajes" hace girar la hélice a una velocidad diferente a la del motor. Los primeros motores de hélice marinos tenían engranajes ascendentes, es decir, la hélice estaba engranada 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 más potentes durante la última parte del siglo XIX, casi universalmente se prescindió de los engranajes y la hélice funcionó a la misma velocidad de rotación que el motor. Esta disposición de transmisión directa es mecánicamente más eficiente y los motores de vapor alternativos se adaptan bien a la velocidad de rotación más eficiente para las hélices de tornillo.
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