Máquina de vapor compuesta

Una unidad de máquina de vapor compuesta es un tipo de máquina de vapor en la que el vapor se expande en dos o más etapas. ^[1]^{[2] Una disposición típica para un motor compuesto es que el vapor primero se expande en un}cilindro de alta presión (HP) , luego, habiendo cedido calor y perdiendo presión, se escapa directamente a uno o más cilindros de bajo volumen. -Cilindros de presión (LP) . Los motores de expansión múltiple emplean cilindros adicionales, de presión progresivamente más baja, para extraer más energía del vapor. ^[3]

Inventada en 1781, esta técnica se empleó por primera vez en un motor de viga de Cornualles en 1804. Alrededor de 1850, los motores compuestos se introdujeron por primera vez en las fábricas textiles de Lancashire.

Sistemas compuestos

Hay muchos sistemas y configuraciones compuestos, pero hay dos tipos básicos, según cómo se escalonan las carreras de los pistones HP y LP y, por lo tanto, si el escape HP puede pasar directamente de HP a LP ( compuestos Woolf ) o si la fluctuación de presión requiere un Espacio intermedio "amortiguador" en forma de caja o tubería de vapor conocido como receptor (compuestos receptores). ^[4]

En una máquina de vapor de expansión única (o "simple"), el vapor a alta presión ingresa al cilindro a la presión de la caldera a través de una válvula de entrada. La presión del vapor fuerza al pistón hacia abajo en el cilindro, hasta que la válvula se cierra (por ejemplo, después del 25% de la carrera del pistón). Después de cortar el suministro de vapor, el vapor atrapado continúa expandiéndose, empujando el pistón hasta el final de su carrera, donde se abre la válvula de escape y expulsa el vapor parcialmente agotado a la atmósfera o a un condensador. Este " corte " permite extraer mucho más trabajo, ya que la expansión del vapor está realizando un trabajo adicional al realizado por el vapor a presión de la caldera. ^[5]

Un corte más temprano aumenta el ratio de expansión, lo que en principio permite extraer más energía y aumenta la eficiencia. Idealmente, el vapor se expandiría adiabáticamente y la temperatura descendería correspondientemente al aumento de volumen. Sin embargo, en la práctica, el material del cilindro circundante actúa como un depósito de calor, enfriando el vapor en la primera parte de la expansión y calentándolo en la última parte. Estos flujos de calor irreversibles disminuyen la eficiencia del proceso, de modo que más allá de cierto punto, aumentar aún más la relación de expansión en realidad disminuiría la eficiencia, además de disminuir la presión media efectiva y, por tanto, la potencia del motor. ^[5]

motores compuestos

Una solución al dilema fue inventada en 1804 por el ingeniero británico Arthur Woolf , quien patentó su motor compuesto de alta presión Woolf en 1805. En el motor compuesto, el vapor a alta presión de la caldera primero se expande en un cilindro de alta presión (HP) y luego ingresa a uno o más cilindros de baja presión (LP) subsiguientes. La expansión completa del vapor se produce en varios cilindros y, como hay menos expansión en cada cilindro, el vapor se enfría menos en cada cilindro, lo que hace que las relaciones de expansión sean prácticas y aumente la eficiencia del motor.

Hay otras ventajas: al ser menor el rango de temperatura, se reduce la condensación del cilindro. La pérdida debida a la condensación está restringida al cilindro de LP. La diferencia de presión es menor en cada cilindro, por lo que hay menos fugas de vapor en el pistón y las válvulas. El momento de giro es más uniforme, por lo que el equilibrio es más fácil y se puede utilizar un volante más pequeño. Sólo es necesario construir el cilindro HP más pequeño para soportar la presión más alta, lo que reduce el peso total. Del mismo modo, los componentes están sujetos a menos tensión, por lo que pueden ser más ligeros. Las partes alternativas del motor son más ligeras, lo que reduce las vibraciones del motor. El compuesto podría iniciarse en cualquier punto del ciclo y, en caso de fallo mecánico, el compuesto podría restablecerse para que actuara como un simple y así seguir funcionando. ^[4]

Para obtener el mismo trabajo del vapor a menor presión se requiere un volumen de cilindro mayor, ya que este vapor ocupa un volumen mayor. Por lo tanto, en los cilindros de baja presión, el diámetro y, en casos raros, también la carrera, aumentan, lo que da como resultado cilindros más grandes.

Los motores de doble expansión (generalmente conocidos simplemente como "compuestos") expanden el vapor en dos etapas, pero esto no implica que todos estos motores tengan dos cilindros. Pueden tener cuatro cilindros trabajando como dos pares LP-HP, o el trabajo del cilindro LP grande se puede dividir en dos cilindros más pequeños, con un cilindro HP desembocando en cualquiera de los cilindros LP, dando un diseño de 3 cilindros donde el cilindro y el pistón El diámetro de los tres es aproximadamente el mismo, lo que hace que las masas alternativas sean más fáciles de equilibrar.

Los compuestos de dos cilindros se pueden organizar como:

Compuesto cruzado : los cilindros están uno al lado del otro
Compuesto en tándem : los cilindros están de extremo a extremo y accionan una biela común
Compuesto telescópico : los cilindros están uno dentro del otro.
Compuesto en ángulo : los cilindros están dispuestos en V (normalmente en un ángulo de 90°) y accionan una manivela común. ^{[Fase del cilindro]}

La adopción de la composición fue generalizada para las unidades industriales estacionarias donde la necesidad era de mayor potencia a un costo menor, y casi universal para los motores marinos después de 1880. No se usó ampliamente en locomotoras ferroviarias donde a menudo se percibía como complicado e inadecuado para las duras condiciones. Entorno operativo ferroviario y espacio limitado que ofrece el gálibo de carga (particularmente en Gran Bretaña). La capitalización nunca fue común en los ferrocarriles británicos y no se utilizó en absoluto después de 1930, pero se utilizó de forma limitada en muchos otros países. ^[6]

El primer intento exitoso de volar un avión de ala fija más pesado que el aire únicamente con energía de vapor ocurrió en 1933, cuando George y William Besler convirtieron un biplano Travel Air 2000 para volar en una máquina de vapor V-twin de ángulo compuesto de 150 hp. su propio diseño en lugar del habitual motor de gasolina de aviación radial o en línea Curtiss OX-5 que normalmente habría utilizado. ^[7]^[8]

Motores de expansión múltiple

Es una extensión lógica del motor compuesto (descrito anteriormente) dividir la expansión en aún más etapas para aumentar la eficiencia. El resultado es el motor de expansión múltiple . Estos motores utilizan tres o cuatro etapas de expansión y se conocen como motores de triple y cuádruple expansión , respectivamente. Estos motores utilizan una serie de cilindros de doble efecto de diámetro y/o carrera cada vez mayores y, por tanto, de volumen. Estos cilindros están diseñados para dividir el trabajo en tres o cuatro porciones iguales, una para cada etapa de expansión. La imagen adyacente muestra una animación de un motor de triple expansión. El vapor viaja a través del motor de izquierda a derecha. El cofre de válvulas de cada uno de los cilindros está a la izquierda del cilindro correspondiente.

Historia

Trabajo temprano

1781: Jonathan Hornblower , nieto de uno de los constructores de motores de Newcomen en Cornwall, patentó un motor de viga alternativa compuesto de dos cilindros en 1781. James Watt le impidió desarrollarlo más , quien afirmó que sus propias patentes habían sido infringidas. ^[9]
1797: Richard Trevithick desarrolla una eficaz máquina de vapor de alta presión. ^[10]
1804: Arthur Woolf desarrolla el motor compuesto de alta presión estacionario Woolf , patentado en 1805. El motor Woolf redujo la magnitud creciente del calentamiento y enfriamiento continuo de una máquina de vapor de alta presión de expansión única que conduce a la ineficiencia. También resolvió el problema de que los cilindros de hierro fundido contemporáneos no podían manejarlo bien.

Doble expansión

1833 – Hércules (1829) fue modificado para utilizar un cilindro de presión extrabaja, tomado de Agrippina , con vapor de sus cilindros de alta presión. Esta modificación fue diseñada por el ingeniero holandés Gerhard Moritz Roentgen , ^[11] convirtiéndolo en el inventor de la máquina de vapor compuesta naval. El remolcador de paletas de vapor se utilizó luego con éxito para el servicio en el río Waal , ^[12] convirtiéndose en el primer barco con una máquina de vapor compuesta en entrar en servicio. ^[13]
1845 – William McNaught ideó un método para fijar un cilindro adicional de alta presión dentro de un motor de viga existente. Para hacerlo, fue necesario utilizar un tubo largo para conectar los cilindros y un juego adicional de válvulas para equilibrarlos. De hecho, esto actuó como un cofre receptor y se inventó un nuevo tipo de compuesto. Este sistema permitió un mayor control de la entrada y corte de vapor. Un motor podía frenarse mediante un acelerador que reducía la presión del vapor o ajustando el corte en cualquiera de los cilindros. Este último fue más eficiente ya que no se perdió energía. El ciclo fue más suave ya que los dos cilindros no estaban en fase. ^[14]
1865 – Se bota el SS Agamenón (1865) , equipado con una máquina de vapor compuesto de 300 CV . El motor fue diseñado por Alfred Holt , uno de sus propietarios. Holt había persuadido a la Junta de Comercio para que permitiera una presión de caldera de 60 psi en lugar de los 25 psi normales ; se necesitaba una presión más alta para aprovechar las ventajas de la doble expansión. La eficiencia obtenida permitió a este barco recorrer 8.500 millas antes de cargar carbón . Esto la hizo competitiva en las rutas entre China y Gran Bretaña. ^[15]^[16]^[17]

Expansión múltiple

1861 – Daniel Adamson obtiene una patente para un motor de expansión múltiple, con tres o más cilindros conectados a una viga o cigüeñal. Construyó un motor de triple expansión para Victoria Mills, Dukinfield , que abrió sus puertas en 1867. ^[18]
1871 – Charles Normand, de Le Havre, instaló un motor de triple expansión en un barco por el río Sena en 1871. ^[18]
1872 – Sir Fredrick J. Bramwell informó que los motores marinos compuestos, que operaban entre 45 psi y 60 psi, consumían entre 2 y 2,5 libras de carbón por hora por caballo de fuerza indicado. ^[18]
1881: Alexander Carnegie Kirk construye el SS Aberdeen , el primer barco importante propulsado con éxito por un motor de triple expansión. ^[19] El éxito dependió de resolver el problema de diseñar una caldera que pudiera funcionar a las (entonces) altas presiones necesarias para obtener los beneficios de la triple expansión. ^[20]^{: 106-111}
1887: Se bota el HMS Victoria , el primer acorazado propulsado por motores de triple expansión. ^[21]
1891 – Los motores marinos compuestos de triple expansión, que funcionaban a 160 psi, consumían en promedio alrededor de 1,5 libras de carbón por hora por caballo de fuerza indicado. ^[18]

Aplicaciones

Motores de bombeo

motores de molino

Aunque los primeros molinos funcionaban con energía hidráulica , una vez que se adoptaron las máquinas de vapor, el fabricante ya no necesitaba ubicar los molinos junto a agua corriente. El hilado de algodón requería fábricas cada vez más grandes para satisfacer la demanda, lo que llevó a los propietarios a exigir motores cada vez más potentes. Cuando la presión de la caldera excedía los 60 psi, los motores compuestos lograban una ventaja termodinámica, pero fueron las ventajas mecánicas de la carrera más suave las que fueron el factor decisivo en la adopción de compuestos. En 1859, había 75.886 ihp (caballos de fuerza indicados ^[ihp] ) de motores en las fábricas del área de Manchester, de los cuales 32.282 ihp procedían de compuestos, aunque sólo 41.189 ihp se generaban a partir de calderas que funcionaban a más de 60 psi. ^[22]

En general, entre 1860 y 1926 todas las fábricas de Lancashire fueron impulsadas por compuestos. El último complejo construido fue por Buckley y Taylor para el molino Wye No.2, Shaw . Este motor tenía un diseño de compuestos cruzados de 2500 hp, impulsaba un volante de inercia de 24 pies y 90 toneladas y funcionó hasta 1965. ^[23]

Aplicaciones marinas

En el entorno marino, la exigencia general era autonomía y mayor alcance operativo, ya que los barcos debían transportar sus suministros de carbón. Por lo tanto, la antigua caldera de agua salada ya no era suficiente y hubo que sustituirla por un circuito cerrado de agua dulce con condensador. A partir de 1880, el resultado fue el motor de expansión múltiple que utilizaba tres o cuatro etapas de expansión ( motores de triple y cuádruple expansión ). Estos motores utilizaban una serie de cilindros de doble efecto de diámetro y/o carrera (y por tanto de volumen) progresivamente crecientes, diseñados para dividir el trabajo en tres o cuatro porciones iguales, según correspondiera, para cada etapa de expansión. Cuando el espacio es escaso, se pueden utilizar dos cilindros más pequeños de gran volumen para la etapa de baja presión. Los motores de expansión múltiple normalmente tenían los cilindros dispuestos en línea, pero se utilizaban otras formaciones. A finales del siglo XIX, el "sistema" de equilibrio Yarrow-Schlick-Tweedy se utilizaba en algunos motores marinos de triple expansión. Los motores YST dividieron las etapas de expansión de baja presión entre dos cilindros, uno en cada extremo del motor. Esto permitió que el cigüeñal estuviera mejor equilibrado, lo que dio como resultado un motor más suave, con una respuesta más rápida y que funcionaba con menos vibración. Esto hizo que el motor de 4 cilindros y triple expansión fuera popular entre los grandes barcos de pasajeros (como la clase olímpica ), pero finalmente fue reemplazado por la turbina de vapor prácticamente libre de vibraciones .

El desarrollo de este tipo de motor fue importante para su uso en barcos de vapor, ya que al agotar el agua en un condensador se podía recuperar para alimentar la caldera, que no podía utilizar agua de mar . Las máquinas de vapor terrestres podían simplemente agotar gran parte de su vapor, ya que el agua de alimentación generalmente estaba disponible. Antes y durante la Segunda Guerra Mundial , el motor de expansión dominaba las aplicaciones marinas donde la alta velocidad de los buques no era esencial. Fue reemplazada por la turbina de vapor cuando se requería velocidad, como en los buques de guerra y los transatlánticos . El HMS Dreadnought de 1905 fue el primer buque de guerra importante en reemplazar la tecnología probada del motor alternativo por la entonces novedosa turbina de vapor.

Aplicación a locomotoras ferroviarias.

Para las aplicaciones de locomotoras ferroviarias, el principal beneficio buscado de la combinación fue la economía en el consumo de combustible y agua, además de una alta relación potencia/peso debido a la caída de temperatura y presión que se produce durante un ciclo más largo, lo que resulta en una mayor eficiencia; Las ventajas adicionales percibidas incluyeron un par más uniforme.

Si bien los diseños de locomotoras compuestas pueden remontarse a la patente de James Samuel de 1856 para una "locomotora de expansión continua", ^[24] la historia práctica de la composición ferroviaria comienza con los diseños de Anatole Mallet en la década de 1870. Las locomotoras de mazo fueron operadas en los Estados Unidos hasta el final de la línea principal de vapor por Norfolk and Western Railway . Los diseños de Alfred George de Glehn en Francia también tuvieron un uso significativo, especialmente en las reconstrucciones de André Chapelon . Alrededor de 1900 se probó una amplia variedad de diseños compuestos, pero la popularidad de la mayoría duró poco debido a su complejidad y dificultad de mantenimiento. En el siglo XX, el sobrecalentador fue ampliamente adoptado y la gran mayoría de las locomotoras de vapor eran de expansión simple (con algunas locomotoras compuestas convertidas en simples). Los ingenieros se dieron cuenta de que las locomotoras a velocidad constante funcionaban de manera más eficiente con un regulador completamente abierto y un corte temprano, este último se ajustaba mediante la marcha atrás. Una locomotora que funciona con un corte de vapor muy temprano (por ejemplo, al 15% de la carrera del pistón) permite una expansión máxima del vapor, con menos desperdicio de energía al final de la carrera. El sobrecalentamiento elimina la condensación y la rápida pérdida de presión que de otro modo ocurrirían con dicha expansión.

Las grandes locomotoras americanas utilizaban para los frenos dos compresores de aire de compuesto cruzado accionados por vapor, p. ej. el Westinghouse 8 1/2" 150-D ^{[25] .}

El sistema Yarrow-Schlick-Tweedy

La presentación sigue el libro de texto de Sommerfeld, que contiene un diagrama (Figura 17) que no se reproduce por motivos de derechos de autor. ^[26]

Considere un motor de 4 cilindros en un barco. Sea x la dirección vertical, z la dirección longitudinal y y la dirección babor-estribor. Monte los 4 cilindros en fila a lo largo del eje z, de modo que sus pistones apunten hacia abajo. Los pistones están conectados al mismo cigüeñal mediante largas varillas verticales. Ahora, configuramos las cantidades fundamentales del motor:

Sean las masas efectivas del sistema compuesto de vástago de pistón de cada cilindro. ${\ Displaystyle M_ {1}, M_ {2}, M_ {3}, M_ {4}}$
Deje que el cilindro 2 esté separado del cilindro 1 con una distancia de a lo largo del eje z, y de manera similar para . ${\ Displaystyle a_ {2}}$ ${\ Displaystyle a_ {3}, a_ {4}}$
Sea la longitud de cada varilla del cilindro. ${\ Displaystyle l_ {1}, l_ {2}, l_ {3}, l_ {4}}$
Sean los radios del conector del cigüeñal de cada cilindro. ${\ Displaystyle r_ {1}, r_ {2}, r_ {3}, r_ {4}}$
Sea el ángulo del conector del cigüeñal de cada cilindro. $\phi _{1},\phi _{2},\phi _{3},\phi _{4}$
Dado que todos los cilindros hacen girar el cigüeñal en tándem, es una constante para cada uno de . $\phi _{i}-\phi _{1}$ $\alpha _ {i}$ $i=2,3,4$

Ahora, mientras el motor funciona, la posición vertical del cilindro es igual a . Por trigonometría tenemos $i$ $x_{i}$

x_{i}=r_{i}\cos \phi _{i}+{\sqrt {l_{i}^{2}(r_{i}\sin \phi _{i})^{2 }}}=l_{1}+r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{l_{i}}}(1-\cos(2\ phi _{i}))/2+O(r_{i}^{3}/l^{2})

A medida que cada cilindro se mueve hacia arriba y hacia abajo, ejerce una fuerza vertical sobre su marco de montaje igual a . El sistema YST tiene como objetivo garantizar que el total de las 4 fuerzas se cancele de la forma más exacta posible. Específicamente, su objetivo es garantizar que la fuerza total (a lo largo del eje x) y el par total (alrededor del eje y) sean cero: $M_{i}{\ddot {x}}_{i}$

\sum _{i=1}^{4}M_{i}{\ddot {x}}_{i}=0;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i }a_{i}{\ddot {x}}_{i}=0

Esto se puede lograr si

\sum _{i=1}^{4}M_{i}x_{i}=Const;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i}a_{i}x_{ i}=Const

Ahora, reemplazando las ecuaciones, encontramos que significa (hasta segundo orden)

\sum _{i=1}^{4}M_{i}(r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{2l_{i }}}\cos(2\phi _{i}))=0;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i}a_{i}(r_{i}\cos \phi _ {i}-{\frac {r_{i}^{2}}{2l_{i}}}\cos(2\phi _{i}))=0

Al conectar y expandir las funciones cosenos, vemos que con arbitrario, los factores de deben desaparecer por separado. Esto nos da 8 ecuaciones para resolver, lo cual en general es posible si hay al menos 8 variables del sistema que podemos variar. $\phi _{i}=\phi _{1}+\alpha _{i}$ $\phi _{1}$ $\sin(\phi _{1}),\cos(\phi _{1}),\sin(2\phi _{1}),\cos(2\phi _{1})$

De las variables del sistema, vienen fijadas por el diseño de los cilindros. Además, los valores absolutos de no importan, sólo importan sus proporciones. En conjunto, esto nos da 9 variables para variar: . ${\ Displaystyle M_ {i}, r_ {i}}$ ${\ Displaystyle a_ {2}, a_ {3}, a_ {4}}$ $l_{1},l_{2},l_{3},l_{4},{\frac {a_{3}}{a_{2}}},{\frac {a_{4}}{ a_ {2}}}, \ alpha _ {2}, \ alpha _ {3}, \ alpha _ {4}$

El sistema YST requiere al menos 4 cilindros. Con 3 cilindros, la misma derivación nos da sólo 6 variables para variar, lo cual es insuficiente para resolver las 8 ecuaciones.

El sistema YST se utiliza en barcos como el SS Kaiser Wilhelm der Grosse y el SS Deutschland (1900) . ^[27]

Notas

^ Fase de cilindros: En los compuestos de dos cilindros utilizados en trabajos ferroviarios, los pistones están conectados a las manivelas como en un bicilíndrico simple, desfasados 90° entre sí (en cuartos ).

Cuando se duplica el grupo de doble expansión, produciendo un compuesto de 4 cilindros, los pistones individuales dentro del grupo generalmente se equilibran a 180°, estando los grupos colocados a 90° entre sí. En un caso (el primer tipo de compuesto de Vauclain ), los pistones trabajaban en la misma fase accionando una cruceta y una manivela comunes, nuevamente colocadas a 90° como para un motor de dos cilindros.

Con la disposición compuesta de 3 cilindros, las bielas LP se fijaron a 90° con la HP a 135° con respecto a las otras dos, o en algunos casos las tres bielas se fijaron a 120°.

^ ihp: la potencia de un motor de molino se medía originalmente en caballos de fuerza nominales , pero este sistema subestimó la potencia de un sistema McNaught compuesto adecuado para compuestos, ihp o caballos de fuerza indicados. Como regla general, el ihp es 2,6 veces el nhp, en un motor compuesto. ^[28]

Ver también

Referencias

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Bibliografía

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Otras lecturas

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Holst, CP (1926), El equilibrio de máquinas de vapor de manivela múltiple , Brill, Leiden Publishing, OCLC 494164185

enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con las máquinas de vapor compuestas .

Northern Mill Engine Society en el Bolton Steam Museum