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La máquina Willans o máquina de válvulas centrales era una máquina de vapor estacionaria de alta velocidad utilizada principalmente para la generación de electricidad a principios del siglo XX.
El motor de Willans fue uno de los ejemplos más conocidos del motor compuesto de campanario . [1] Se trataba de motores compuestos de doble o triple expansión , con las características inusuales de cilindros de simple efecto y una válvula de husillo central compartida entre todos los cilindros de ese husillo. [i] [3] [4] Los cilindros están dispuestos como compuestos en tándem , con cilindros de alta y baja presión montados en el mismo eje vertical. Esta disposición vertical del compuesto de campanario proporciona un diseño de piso compacto para un motor de tal potencia.
Los motores Willans no fueron los primeros motores de alta velocidad para la generación de electricidad, pero pronto fueron adoptados y se convirtieron en el tipo predominante en servicio. [5]
Los motores fueron desarrollados por Peter W. Willans y Mark Robinson en Thames Ditton , principalmente para el creciente mercado de generación eléctrica. En 1884 se les concedió una patente para el principio de válvula central. [5] [6]
En la década de 1890, había más motores del tipo Willans en servicio para la generación de electricidad que cualquier otro tipo. [5] [7] Al igual que con otras máquinas de vapor de alta velocidad, se necesitaba una máquina de vapor que funcionara a velocidades suficientemente altas para accionar dinamos directamente y que también tuviera una regulación precisa de la velocidad bajo carga cambiante, de modo de mantener el voltaje correcto. Mantener la frecuencia correcta para los sistemas de CA era aún más importante, pero los sistemas de CA tendían a favorecer los motores de baja velocidad con grandes volantes, en lugar de los motores de alta velocidad utilizados para CC . [8]
Los motores Willans también se utilizaron para impulsar las fábricas textiles , aunque como ya se habían construido muchas fábricas en esa fecha, los motores Corliss de compuestos cruzados y de válvula de caída, más establecidos desde hace tiempo, son más conocidos en esta aplicación. El motor Willans, su baja inercia y su control preciso de la velocidad lo hicieron muy adecuado para el trabajo en las fábricas. Se consideró que la velocidad constante del eje que entregaba, incluso bajo una carga variable, mejoraba la calidad del hilado y reducía la cantidad de cabos rotos por cargas de choque. [9] [10]
Los motores Willans se utilizaban para propulsar las lanchas antitorpedos del Almirantazgo. [11] Se informó que las lanchas eran rápidas y los motores silenciosos. [12]
El motor Willans era de simple efecto ; la presión de vapor se aplicaba solo a la superficie superior de los pistones. Esta era una característica común de los motores de alta velocidad en ese momento, en una medida para reducir el golpeteo y el aumento del desgaste, lo que permitía velocidades de funcionamiento más altas. [3] El principio era que en un motor de simple efecto, las fuerzas sobre la biela y sus cojinetes siempre actúan para comprimir la biela, en lugar de invertir la dirección dos veces en cada revolución, como en el motor de doble efecto. [13] Los cojinetes inferiores, que soportaban una carga solo durante el arranque, eran más pequeños que el muñón del cigüeñal y los cojinetes principales de trabajo superiores. Aunque los motores de simple efecto producen solo la mitad de la potencia de un motor de doble efecto equivalente, o de lo contrario deben funcionar al doble de su velocidad, este golpeteo reducido podría permitirles funcionar más del doble de rápido.
En el motor de doble efecto convencional, el vapor residual quedaba atrapado en el cilindro de escape después de que la válvula se cerraba y se comprimía. Este vapor comprimido tiene un efecto amortiguador y actúa para frenar el pistón al final de la carrera. [ii] En el motor de simple efecto no hay un efecto similar al final de la carrera de potencia. Esto había sido anteriormente una limitación en la velocidad de funcionamiento de los motores de simple efecto.
En el motor Willans, la amortiguación al final de la carrera la proporcionaba un cilindro de aire adicional debajo de los demás. El pistón de aire también actuaba como guía del tronco . Durante la carrera ascendente, la inercia del motor continúa su movimiento hacia arriba y antes de que comience la siguiente carrera no hay nada que lo retrase. El cilindro de aire cerrado actúa como un amortiguador de aire comprimido sobre el pistón guía del tronco. [14]
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La característica más distintiva del motor era su válvula de husillo central. Esta actuaba como una válvula de pistón de varias etapas, controlando la admisión de vapor en cada uno de los cilindros compuestos. Inusualmente, la válvula funcionaba dentro del vástago hueco del pistón o tronco, en lugar de en el bloque de cilindros o caja de válvulas. Este vástago hueco del pistón conectaba todos los cilindros y estaba mecanizado con puertos. [15]
El mecanismo de válvulas que accionaba la válvula era muy simple. Cada pistón tenía dos bielas paralelas , que trabajaban sobre muñones de cigüeñal separados entre las mismas nervaduras del cigüeñal. Una excéntrica entre los dos muñones de cigüeñal impulsaba el husillo de la válvula montado centralmente mediante otra biela corta. Debido a la necesidad de permitir que la varilla de la válvula pasara entre ellos, el pistón tenía dos pasadores de muñón en voladizo , en lugar de un solo pasador pasante. [15]
El vapor de entrada se suministraba a la parte superior del tronco del vástago del pistón a través de distintivas tapas abovedadas. Si el motor estaba diseñado para un corte fijo, el vapor de entrada se controlaba únicamente mediante la válvula y el tronco. Cuando se iba a utilizar un corte variable, esto se lograba de manera muy sencilla mediante un collar giratorio con puertos en ángulo que se superponían a los puertos del tronco y, de ese modo, controlaban su sincronización. [16]
La lubricación del motor Willans se hacía por salpicadura desde un cárter cerrado, que se llenaba con una mezcla de aceite y agua. [16] El exceso de agua del condensado se drenaba del cárter a medida que se acumulaba, pero los motores no tenían los casquillos separados entre el cilindro y el cárter, con un espacio de drenaje entre ellos, que utilizaban los motores Carel, Belliss y Morcom, o Alley & MacLellan (posteriormente Sentinel ). [17]
Los motores Willans dejaron de utilizarse gradualmente después de la Primera Guerra Mundial por dos razones.
En primer lugar, Belliss y Morcom desarrollaron aún más el motor de alta velocidad. Su invención en 1890 de la bomba de aceite y el sistema de lubricación forzada resolvió el problema del traqueteo de los cojinetes bajo una carga inversa. [18] [19] Esto les permitió producir motores de doble efecto que eran más compactos que los de acción simple. Cuando un motor de un solo cilindro podía reemplazar a un pequeño motor de dos cilindros, esto también suponía un ahorro de costes útil. Aunque algunos grupos electrógenos de vapor siguieron utilizándose hasta bien entrada la década de 1980, [iii] casi todos eran del tipo de doble efecto de Belliss y Morcom.
En segundo lugar, el crecimiento de la generación de electricidad y el desarrollo de la red eléctrica nacional favorecieron la creación de menos centrales generadoras de mayor tamaño, en lugar de las pequeñas centrales locales de la primera generación. Estas grandes plantas podían utilizar con mayor eficiencia las grandes turbinas de vapor y podían permitirse las complicadas calderas acuotubulares de alto sobrecalentamiento que se utilizaban con ellas.
El motor Carel, construido por SA des Moteurs á Grand Vitesse. Brevet Carel's de Sclessin-Liège , Bélgica, era muy similar al Willans. [20] Utilizaba un diseño similar de cilindros emparejados, en números de dos a ocho. También fue construido para doble y triple expansión. Al igual que el motor Willans, utilizaba cilindros de simple efecto y también utilizaba la guía de tronco de colchón de aire Willans. Se diferenciaba en el diseño de sus válvulas, ya que estas eran rotativas. Cada par de cilindros tenía una válvula rotativa compartida entre ellos, impulsada por un engranaje cónico de media velocidad . Al igual que la locomotora Paget , las válvulas eran de hierro fundido y funcionaban en una manga de bronce fosforoso dentro del cilindro. [21] Como la válvula y los cilindros deben funcionar en fase, [iv] los puertos están duplicados. La ventaja general es una reducción en la velocidad lineal de la válvula. Tales válvulas rotativas se probaron a menudo en este período, pero rara vez con éxito. La lubricación era difícil en esa época y el sobrecalentamiento era limitado, si las válvulas no se agarrotaban. [20] [v]
El motor "Peache Patent" fue fabricado por Davey, Paxman & Co de Colchester , que construyó 260 de ellos entre 1895 y 1913. [22] James Courthope Peache había trabajado anteriormente para Willans & Robinson como gerente de obras en Ferry Works. Dejó Willans en enero de 1892 y en 1893 se acercó a James Paxman con su propio diseño de un motor de acción simple de alta velocidad. Más tarde regresó a Willans, en 1904 se convirtió en director de la empresa, ahora con sede en Rugby, y en 1908 se convirtió en director general. [22]
El motor Peache se consideraba otro motor en tándem de simple efecto, aunque tenía un diseño de cilindro inusual. El volumen medio de los cilindros de alta y baja presión era común, sin el casquillo habitual para aislarlos. [22] El pistón de alta presión actúa hacia abajo y el de baja presión actúa hacia arriba. El espacio entre los pistones, conocido como "cilindro de control", está parcialmente lleno de vapor extraído del cilindro de alta presión. Como este se comprime cuando los pistones se mueven hacia arriba, actúa de manera similar al colchón de aire del Willans. [13]
Las válvulas de pistón detrás de los cilindros funcionaban mediante una especie de mecanismo de válvulas radial , impulsado por la biela. [22]
El Peache era un motor de efecto simple , algo poco habitual en una máquina de vapor, pero algo ventajoso para una máquina de efecto simple . Al desplazar ligeramente el eje del cigüeñal y del pistón, las fuerzas de la cruceta se mantenían hacia la parte trasera de la máquina durante todo el ciclo de funcionamiento. [22] Al igual que el principio de efecto simple en sí, esta dirección constante de las fuerzas ayudaba a reducir la vibración y el desgaste. [22]
De estos grandes motores de generación eléctrica sobreviven pocos ejemplares, incluido el Willans. Aún sobreviven algunos, incluido uno muy pequeño en el Museo de la Ciencia . Se trata de un motor de 10 kW a 450 rpm y se exhibe junto a su dinamo bipolar original . También se exhibe un cilindro único de un motor más grande, seccionado ( ilustración ).
En 1957, un grupo electrógeno tricilíndrico de 140 CV y modelo 1901 fue retirado de la tienda de muebles Maples de Londres y colocado en exposición en la fábrica original de Willans en Rugby . En 2011, recibió el premio Engineering Heritage Award . [23] [24] En 2017, fue transferido al Museo de Energía de Gales Occidental, donde se encuentra el Museo de Bomberos Internos. [25]
En el Museo de la Ciencia y de la Técnica de Cataluña (mNACTEC) se conserva un motor de tres cilindros y dos etapas. [26]
