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Una válvula de expansión es un dispositivo en el mecanismo de válvulas de una máquina de vapor que mejora la eficiencia de la misma. Funciona cerrando el suministro de vapor antes de tiempo, antes de que el pistón haya recorrido su carrera completa. Este corte permite que el vapor se expanda dentro del cilindro. [1] Este vapor en expansión sigue siendo suficiente para impulsar el pistón, aunque su presión disminuye a medida que se expande. [i] Como se suministra menos vapor en el menor tiempo durante el cual la válvula está abierta, el uso de la válvula de expansión reduce el vapor consumido y, por lo tanto, el combustible necesario. [2] La máquina (según cifras de 1875) puede entregar dos tercios del trabajo, por solo un tercio del vapor. [2]
Una válvula de expansión es una válvula secundaria dentro de una máquina de vapor. Representa un paso intermedio entre las máquinas de vapor con funcionamiento no expansivo y los mecanismos de válvulas posteriores que podían proporcionar expansión controlando el movimiento de una sola válvula.
Las válvulas de expansión se utilizaron para motores estacionarios y motores marinos . [1] No se utilizaron para locomotoras, aunque se logró un trabajo expansivo mediante el uso de los engranajes de válvulas de expansión variables posteriores.
La presión del vapor expandido es menor que la del vapor suministrado directamente desde la caldera. Por lo tanto, un motor que funciona con una válvula de expansión ajustada a un corte temprano es menos potente que con la válvula completamente abierta. En consecuencia, el motor debe accionarse ahora , de modo que la válvula se ajuste manualmente a medida que cambia la carga del motor. Un motor que funciona con una carga ligera puede funcionar de manera eficiente con un corte temprano, mientras que un motor con una carga pesada puede requerir un corte más prolongado y el costo de un mayor consumo de vapor.
Cuando Trevithick suministró su motor de 1801 [ii] para un laminador en Tredegar Iron Works , [3] el motor era más potente cuando funcionaba sin expansión y Samuel Homfray , el maestro siderúrgico, prefirió utilizar la potencia adicional a pesar del potencial ahorro en los costos del carbón [4]
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La válvula de rejilla [5] fue una de las primeras formas de válvula de expansión. [1] La válvula de rejilla es una disposición de dos placas con láminas superpuestas. Una placa puede moverse de modo que sus láminas se superpongan a las láminas de la otra placa o a las ranuras entre ellas, para así estar abierta o cerrada. Tiene las ventajas de una abertura relativamente grande (hasta la mitad del área total) y una apertura rápida, necesitando moverse solo el ancho de una lámina para cambiar de completamente abierta a completamente cerrada. Su desventaja es que no sellan particularmente bien. Debido a la corta distancia de actuación de una válvula de rejilla, su sincronización de válvulas sería relativamente imprecisa si se usara con una excéntrica o similar. Algunas máquinas de vapor grandes las usaron más tarde como válvulas primarias, ya sea como válvulas de escape para cilindros de LP [6] o como válvulas de entrada junto con un mecanismo de válvula de leva o de disparo [7] . [8] [iii]
Cuando se utilizan válvulas de rejilla como válvulas secundarias, se montaban comúnmente en el lado de entrada de la cámara de válvulas para la válvula de corredera primaria. Eran accionadas por un mecanismo de válvula independiente, normalmente un conjunto excéntrico independiente delante del excéntrico principal. [1] Cuando está en funcionamiento, el avance adicional mueve la válvula de rejilla para aplicar un corte delante de la válvula principal. Para variar la expansión que proporcionan, la carrera del accionamiento excéntrico se puede variar mediante un varillaje ajustable. Cuando se ajusta a recorrido cero, la válvula de expansión permanece completamente abierta y el motor funciona sin expansión. [1] Aunque el uso de una válvula de rejilla secundaria fue una técnica temprana, también permaneció en servicio con válvulas y accionamientos cada vez más sofisticados, a lo largo de la historia de los motores estacionarios. Los motores McIntosh y Seymour utilizaban una accionada por un sistema de leva y palanca que se movía de forma intermitente y se quedaba quieta cuando estaba abierta, lo que proporcionaba una sincronización precisa y un ajuste independiente de cada movimiento de la válvula. [9]
También se utilizaban válvulas de rejilla en la parte posterior de las válvulas de corredera, a la manera de la válvula Meyer. [7] Esta fue una patente de John Turnbull de Glasgow en 1869. [10]
El diseño más conocido de válvula de expansión fue el de Meyer, invención del ingeniero francés Jean-Jacques Meyer (1804-1877), que solicitó una patente el 20 de octubre de 1841. James Morris patentó una válvula similar. [11] Una segunda válvula de corredera se desplaza sobre la parte posterior de una válvula de corredera principal adaptada y es accionada por un excéntrico adicional. En la válvula Meyer, la longitud efectiva de la válvula de expansión [iv] se puede modificar con un volante mientras el motor está en marcha. La válvula tiene dos cabezales montados en roscas de izquierda y derecha en la varilla de la válvula del volante, de modo que al girar el volante se mueven los cabezales juntos o separados. [12] [13] En esta disposición, el corte normalmente se controla manualmente. Aunque se intentó el control automático, era demasiado lento para ser efectivo.
Los motores que se exhiben en el Museo de Descubrimiento de Snibston y en la estación de bombeo de Coleham tienen válvulas de expansión Meyer. [14]
Las válvulas de expansión también se instalaron en las máquinas de vapor . Ambas técnicas son un intento de lograr una mayor eficiencia, incluso a costa de una mayor complejidad.
Era habitual que las válvulas de expansión se instalaran únicamente en el cilindro de alta presión (HP). El vapor suministrado al siguiente cilindro de baja presión (LP) ya se había suministrado al motor, por lo que no resultaba beneficioso conservarlo. Cualquier corte prematuro de la entrada de vapor a un cilindro de baja presión también puede representar una limitación del escape del cilindro de alta presión anterior y una reducción de la eficiencia de ese cilindro.
Los motores de molino compuestos posteriores con sofisticados engranajes de válvulas solían incorporar el engranaje complejo al cilindro de alta presión, al tiempo que conservaban una válvula de corredera tradicional más simple para el cilindro de baja presión. Existían ejemplos con cuatro conjuntos diferentes de válvulas: entradas de alta presión con válvula de caída, escapes de alta presión Corliss y una válvula de corredera de baja presión con una válvula de expansión Meyer. [15]
Los avances posteriores a la válvula de expansión independiente dieron lugar a mecanismos de válvulas más sofisticados que podían lograr el mismo objetivo de variar el solape de entrada con una sola válvula. Los primeros de ellos fueron los mecanismos de válvulas de enlace, en particular el mecanismo de válvulas de enlace Stephenson . Este utiliza un par de excéntricas con un mecanismo de enlace deslizante entre ellas que actúa como un dispositivo de adición mecánico. La selección de posiciones intermedias proporciona una actuación de la válvula con el efecto de aumentar el corte. Como estos mecanismos de válvulas también proporcionaban inversión de sentido y se desarrollaron por primera vez para ello, se utilizaron ampliamente en locomotoras . En teoría, el efecto preciso es el de una reducción del recorrido de la válvula , en lugar de un corte más temprano . Esto tiene el efecto de reducir la apertura general de la válvula, lo que reduce el suministro de vapor inicial y, por lo tanto, tiene el efecto de trefilado en lugar de una expansión pura. [16] A pesar de esto, el mecanismo Stephenson se convirtió en uno de los dos mecanismos más utilizados para locomotoras.
Los motores "automáticos" y, a su vez, los motores de alta velocidad , funcionaban a velocidades cada vez mayores y requerían un control más preciso de su velocidad bajo cargas variables. Esto requería el acoplamiento de su regulador al engranaje de la válvula de expansión. Los motores anteriores con regulador centrífugo y válvula de mariposa de Watt se volvían ineficientes cuando funcionaban a baja potencia.
El regulador Richardson [17] se utilizó para motores estacionarios y portátiles producidos por sus empleadores, Robey & Co. [18] Se trata de un mecanismo de válvula de enlace simple controlado automáticamente por un regulador centrífugo . En lugar del control manual de Stephenson de la posición del bloque de matriz dentro del enlace oscilante, el regulador Richardson ajusta esto de acuerdo con la velocidad del motor. Por lo general, funcionaba de manera similar a una válvula Meyer, con dos válvulas impulsadas por dos excéntricas y el regulador Richardson utilizado en lugar del volante manual de Meyer. [19] Esto evitó el problema del trefilado del recorrido reducido de la válvula de Stephenson y mejoró la eficiencia de los motores estacionarios que podrían funcionar a baja potencia durante períodos prolongados.
Sin embargo, en las formas plenamente desarrolladas del motor de alta velocidad (a partir de 1900 aproximadamente), la expansión se controlaba regulando la sincronización [v] de una sola válvula, en lugar de una válvula de expansión separada. Esto dio lugar a otros tipos de válvulas más complejos, como las válvulas de asiento , a menudo accionadas por engranajes de válvulas basados en levas en lugar de varillajes. [vi]
El aumento del uso del sobrecalentamiento alentó la sustitución de las válvulas de corredera por válvulas de pistón , ya que eran más fáciles de lubricar a las mayores temperaturas de funcionamiento . También hicieron que fuera poco práctico utilizar válvulas secundarias como la Meyer, que funcionaba en la parte posterior de las válvulas primarias. Posiblemente el último diseño nuevo en utilizar una válvula secundaria como válvula de expansión fue la locomotora Paget de Midland Railway , que utilizó manguitos de bronce como válvulas de expansión alrededor de sus válvulas rotativas de hierro fundido . [20] Este diseño no tuvo éxito debido a problemas mecánicos con la expansión térmica diferencial de los dos materiales de la válvula. [21]
