Configuración temprana de la máquina de vapor que utiliza una viga oscilante para conectar los componentes principales.
Una máquina Watt : muestra la entrada de vapor y agua.
Un motor de viga es un tipo de motor de vapor en el que se utiliza una viga superior pivotante para aplicar la fuerza de un pistón vertical a una biela vertical . Esta configuración, con el motor impulsando directamente una bomba, fue utilizada por primera vez por Thomas Newcomen alrededor de 1705 para extraer agua de las minas de Cornualles . La eficiencia de los motores fue mejorada por ingenieros como James Watt , que añadió un condensador independiente ; Jonathan Hornblower y Arthur Woolf , que combinaron los cilindros ; y William McNaught , que ideó un método para combinar un motor existente. Los motores de viga se utilizaron primero para bombear agua de las minas o hacia los canales, pero podían utilizarse para bombear agua para complementar el flujo de una rueda hidráulica que accionara un molino .
La viga de hierro fundido del motor Boulton & Watt de 1812 en la estación de bombeo de Crofton : el ejemplo in situ en funcionamiento más antiguo del mundoDetrás del Museo De Cruquius , cerca de Ámsterdam , se encuentra una antigua estación de bombeo utilizada para bombear el agua del lago Haarlemmermeer . Se pueden ver las vigas de la máquina de bombeo y el desnivel de 9 metros que se produjo en el nivel del agua del río Spaarne . La máquina de vigas es la más grande que se haya construido y estuvo en uso hasta 1933.Los restos de un motor de viga propulsado por agua en Wanlockhead
El motor de viga rotativa es un diseño posterior del motor de viga donde la biela impulsa un volante por medio de una manivela (o, históricamente, por medio de un engranaje planetario ). Estos motores de viga se podían utilizar para impulsar directamente el eje de transmisión de un molino . También se podían utilizar para impulsar barcos de vapor .
Historia
Las primeras máquinas de vigas funcionaban con agua y se utilizaban para bombear agua de las minas. Se puede ver un ejemplo conservado en la mina de plomo Straitsteps en Wanlockhead , Escocia .
El primer motor de viga relacionado con el vapor fue desarrollado por Thomas Newcomen . En sentido estricto, no era un motor de vapor, ya que el vapor introducido debajo del pistón se condensaba para crear un vacío parcial que permitía que la presión atmosférica empujara el pistón hacia abajo. Por lo tanto, se lo llamó motor atmosférico. El motor atmosférico de Newcomen fue adoptado por muchas minas en Cornualles y otros lugares, pero era relativamente ineficiente y consumía una gran cantidad de combustible. El motor fue mejorado por John Smeaton , pero James Watt resolvió las principales ineficiencias del motor de Newcomen en su máquina de vapor Watt mediante la adición de un condensador separado, lo que permitía que el cilindro permaneciera caliente. Técnicamente, este seguía siendo un motor atmosférico hasta que (según patentes posteriores) encerró la parte superior del cilindro, introduciendo vapor para empujar también el pistón hacia abajo. Esto lo convirtió en un verdadero motor de vapor [ dudoso - discutir ] y posiblemente lo confirma como el inventor de la máquina de vapor. También patentó el regulador centrífugo y el movimiento paralelo . Este último permitió la sustitución de cadenas alrededor de un cabezal de arco y, por lo tanto, permitió su uso como motor rotatorio.
Sus patentes se mantuvieron vigentes hasta principios del siglo XIX y algunos dicen que esto frenó el desarrollo. Sin embargo, en realidad, otros habían estado desarrollando la tecnología y al final del período de patentes hubo una explosión de nuevas ideas y mejoras. Las máquinas de rayos de Watt se utilizaron comercialmente en cantidades mucho mayores y muchas continuaron funcionando durante 100 años o más.
Watt tenía patentes sobre aspectos clave del diseño de su motor, pero su motor rotativo estaba igualmente limitado por la patente de James Pickard de la manivela simple. El motor de viga continuó siendo mejorado y ampliado considerablemente en las áreas ricas en estaño y cobre del suroeste de Inglaterra, lo que permitió el drenaje de las minas profundas que existían allí. En consecuencia, los motores de viga de Cornualles se hicieron mundialmente famosos, ya que siguen siendo unos de los motores de viga más grandes jamás construidos.
Debido a la cantidad de patentes sobre diversas partes de los motores y las consecuencias de las infracciones de patentes, existen ejemplos de motores Beam sin el nombre del fabricante en ninguna de las partes (Hollycombe Steam Collection).
En un motor de viga rotativa, el pistón está montado verticalmente y la biela del pistón impulsa la viga como antes. Una biela del otro extremo de la viga, en lugar de impulsar una varilla de bomba, ahora impulsa un volante.
Los primeros motores Watt utilizaban el engranaje planetario patentado por Watt , en lugar de una simple manivela, ya que el uso de esta última estaba protegido por una patente propiedad de James Pickard . Una vez que la patente expiró, la simple manivela se empleó universalmente. Una vez que se había logrado el movimiento rotatorio, se podía colocar una correa de transmisión junto al volante. Esto transmitía la potencia a otros ejes de transmisión y desde estos se podían colocar otras correas para impulsar una variedad de maquinaria estática, por ejemplo, máquinas trilladoras, trituradoras o fresadoras.
Motores de viga marinos
Los primeros barcos a vapor utilizaban variantes del motor de viga rotatoria. Estos motores de vapor marinos , conocidos como de palanca lateral, saltamontes , de cruceta o de "viga móvil", entre otros, variaban de las máquinas terrestres originales al ubicar la viga o vigas en diferentes posiciones para ocupar menos espacio a bordo del barco.
Composición
El compuesto implica dos o más cilindros; el vapor de baja presión del primer cilindro, de alta presión, pasa al segundo cilindro donde se expande más y proporciona más impulso. Este es el efecto compuesto; el vapor residual de este puede producir más trabajo si luego se pasa a un condensador de la manera normal. El primer experimento con compuesto fue realizado por Jonathan Hornblower , quien sacó una patente en 1781. Su primer motor se instaló en la mina Tincroft, Cornwall. Tenía dos cilindros, uno de 21 pulgadas (0,53 m) de diámetro con 6 pies (1,8 m) de carrera y otro de 27 pulgadas (0,69 m) de diámetro con 8 pies (2,4 m) de carrera, colocados uno al lado del otro en un extremo de la viga. Los primeros motores mostraron poca ganancia de rendimiento: la presión del vapor era demasiado baja, las tuberías de interconexión eran de pequeño diámetro y el condensador ineficaz. [1]
En esa época, las leyes de la termodinámica no se entendían adecuadamente, en particular el concepto de cero absoluto . Ingenieros como Arthur Woolf intentaban resolver un problema de ingeniería con una comprensión imperfecta de la física. En particular, su mecanismo de válvulas estaba funcionando en la posición incorrecta de la carrera, lo que no permitía un trabajo expansivo en el cilindro. En 1814 se produjeron con éxito motores compuestos de Woolf para la mina de cobre Wheal Abraham y la mina de estaño Wheal Vor . [2]
Motores McNaught
William McNaught patentó un motor de viga compuesto en 1845. En un motor de viga del diseño estándar de Boulton & Watt, colocó un cilindro de alta presión, en el lado opuesto de la viga al cilindro único existente, donde normalmente se instalaba la bomba de agua. Esto tuvo dos efectos importantes: redujo enormemente la presión sobre la viga y la tubería de vapor de conexión, al ser larga, actuó como un receptor expansivo, el elemento que faltaba en el diseño de Woolf. [3] Esta modificación se podía hacer retrospectivamente, y se decía que los motores así modificados eran "McNaughted". Las ventajas de un motor compuesto no eran significativas a presiones inferiores a 60 libras por pulgada cuadrada (410 kPa), pero se mostraban a más de 100 psi (690 kPa). [ cita requerida ]
Bolton Steam Museum ( Bolton , Inglaterra): incluye varios motores de viga rotatoria utilizados originalmente para impulsar molinos.
Estación de bombeo de Claymills ( Burton upon Trent , Inglaterra): cuatro motores de bombeo rotativos de viga compuestos de Woolf; cinco calderas Lancashire; más de treinta motores auxiliares en el sitio, incluido el dinamo a vapor en funcionamiento más antiguo del país.
Molino Coldharbour ( Uffculme , Devon): locomotora de viga Kittoe and Brotherhood de 1867 más locomotora compuesta cruzada Pollit & Wigzell de 300 hp. En funcionamiento a vapor la mayoría de los días festivos, junto con otras máquinas más pequeñas.
Estación de bombeo de Crofton ( Great Bedwyn , Inglaterra): dos motores, incluido el motor "Cornish" más antiguo del mundo en funcionamiento, en su ubicación original (1812).
Estación de bombeo de Crossness ( Abbey Wood , Inglaterra): conjunto de cuatro motores de viga rotativa: los ejemplos en funcionamiento más grandes que se conservan.
Eastney Beam Engine House ( Portsmouth , Inglaterra): contiene dos motores de viga rotativa para bombeo de aguas residuales, que datan de 1887.
Centro del Patrimonio de Elsecar ( Elsecar , Inglaterra): la única máquina Newcomen sobreviviente (en el mundo) que permanece en su ubicación original (1795).
Obras hidráulicas de Goulburn ( Goulburn , Australia): motor de viga Appleby Bros (1883) de 120 hp en estado de funcionamiento, todavía en el edificio original de la sala de bombas.
Motor de viga Grazebrook : una gran locomotora de bombeo diseñada por Boulton & Watt con un diámetro de 42 pulgadas (1,1 m) en exhibición estática en la rotonda de Dartmouth en la A38 (M) en Birmingham , Inglaterra.
Colección de vapor Hollycombe ( Liphook , Inglaterra): un pequeño motor rotatorio en funcionamiento (de aproximadamente 5 caballos de fuerza) que data de aproximadamente 1850, utilizado para impulsar maquinaria agrícola, con una rueda hidráulica adjunta para complementar la potencia.
Sala de máquinas de Middleton Top Engine, Middleton-by-Wirksworth , Derbyshire . La máquina de doble viga (construida en 1829) es la máquina de bobinado alternativo en funcionamiento más antigua del mundo que aún se encuentra en su sala de máquinas original. [5] [6]
Museo De Cruquius ( Cruquius , Países Bajos): se cree que la máquina de ocho vigas de Cruquius es la máquina de vapor más grande jamás construida.
Motor Newcomen Memorial ( Dartmouth , Inglaterra): data de alrededor de 1725. Se agregó un mecanismo hidráulico con fines de demostración.
Museo Industrial de Nottingham ( Nottingham , Inglaterra): la galería de vapor contiene una impresionante máquina de vapor Basford Beam Engine, una de las dos máquinas construidas en 1858 por R&W Hawthorn en Newcastle upon Tyne . Se instaló en la estación de bombeo de Basford para elevar agua a 34 m (110 pies) de la arenisca que se encontraba debajo para suministrar agua dulce a la ciudad de Nottingham. La máquina se reemplazó en 1965 y se trasladó a la galería de vapor construida especialmente para ese fin, donde se puso en funcionamiento por primera vez en 1975.
Motor Pinchbeck ( Spalding , Inglaterra): motor con bastidor en forma de "A" conservado estáticamente.
Mina Poldark ( Trenear , Inglaterra): motor de viga de Harvey's of Hayle Cornish de la mina Bunny Tin y, posteriormente, de la mina de caolín Greensplat, que data de alrededor de 1850. Se agregó un mecanismo hidráulico con fines de demostración. Fue la última en funcionar comercialmente en Cornualles hasta diciembre de 1959; se trasladó a Poldark en 1972. [7]
Museo del Vapor Strumpshaw ( Strumpshaw , Inglaterra): cuenta con un antiguo motor de viga de Addington, ahora propulsado por aire comprimido.
Estación de bombeo de Tees Cottage ( Darlington , Inglaterra): un motor compuesto Woolf de dos cilindros rotativo en funcionamiento , diseñado por Glenfield y Kennedy de Kilmarnock y construido por Teasdale Bros, bajo la supervisión de T&C Hawksley , ingenieros civiles de Londres.
El motor rotativo de Boulton y Watt (tipo solar y planetario) en el Museo Nacional de Escocia (1786). [8] [9] Funcionamiento ocasional mediante neumática
El motor Newcomen de la mina de carbón de Caprington en el Museo Nacional de Escocia . Trabajos ocasionales en neumática.
Museo de Agua y Vapor de Londres ( Brentford , Inglaterra): cinco motores "Cornish" (en su ubicación original), de los cuales cuatro están en funcionamiento, junto con dos motores de viga rotativa operativos (en el museo), incluido el motor "Cornish" en funcionamiento más grande del mundo con un cilindro de 90 pulgadas (2286 mm).
Western Springs Water Works ( Auckland , Nueva Zelanda): motor de doble motor Woolf de 1877. En su ubicación original, restaurado y en condiciones de funcionamiento. El Museo de Transporte y Tecnología se construyó a su alrededor. La restauración de la estación de bombeo y la cabaña original de los ingenieros recibió el Premio al Mérito 2009 de los Premios del Patrimonio de Asia y el Pacífico de la UNESCO para el programa de conservación del patrimonio cultural.
