Una catarata era un dispositivo de control de velocidad utilizado para los primeros motores de haz de acción simple , particularmente los motores atmosféricos y los motores Cornish . Era una especie de reloj de agua .
La catarata es claramente diferente del gobernador centrífugo , en que no controla la velocidad de la carrera del motor, sino más bien la sincronización entre carreras.
Operación
La instalación típica de un motor de vigas construido en una casa se extendía por cuatro pisos. El cilindro y la posición de trabajo habitual del conductor del motor estaban ubicados en la "cámara inferior", aproximadamente al nivel del suelo. Por encima de esto estaba la "cámara del medio", con la tapa superior del cilindro y la "boquilla superior" (el cofre de la válvula superior), y por encima de la "cámara superior" o cámara de viga. [3] Las cataratas estaban ubicadas en la parte más baja de la casa del motor, en una cámara debajo de la cámara inferior, junto con el tubo de escape. Este espacio era de difícil acceso y no se visitaba durante el funcionamiento normal.
El engranaje de la válvula (o 'engranaje de trabajo') de un motor Newcomen o Cornish se basa en la varilla de la bujía . Esta es una varilla vertical, que cuelga de la viga y se mueve en paralelo al pistón. A esta varilla se añaden empujadores ajustables . Estos empujadores golpean palancas de hierro largas y curvas o 'cuernos' que se llevan en tres ejes horizontales o 'cenadores'. [i] Cada árbol funciona con una de las válvulas del motor. Para los ciclos de Cornish , estas válvulas son la entrada de vapor superior a la parte superior del cilindro, la válvula de equilibrio que une las partes superior e inferior del cilindro y las válvulas de inyección de agua de condensación y escape inferiores, que comparten un árbol. [4] A diferencia de la mayoría de las otras máquinas de vapor, estas máquinas podrían funcionar de forma intermitente: realizar una sola carrera antes de detenerse y esperar a que las válvulas se reinicien nuevamente. [5] La velocidad de cada golpe de potencia o "entrar en el interior" era una característica del motor y no se variaba fácilmente, pero no había necesidad de que los motores funcionaran continuamente, golpe tras golpe. [4] [6] Esto fue un contraste directo con el motor de haz rotativo y la naturaleza rotativa de casi todos los demás motores de vapor. Con el ciclo Newcomen original, la velocidad de la carrera de retorno variaba según la presión de la caldera, aunque esto todavía no afectaba la fuerza o la velocidad de la carrera de potencia. [7]
El uso de una catarata podría permitir que un motor funcione a solo un tercio de su velocidad no controlada. [8] Cuando la carga de bombeo era variable, las cataratas también se podían conectar y desconectar según fuera necesario, permitiendo que el motor funcionara a máxima velocidad durante un período y luego se detuviera en el medio. [9]
La catarata en sí se parecía a una pequeña bomba de émbolo . [2] Era una caja de hierro en una cisterna llena de agua, con un émbolo o pistón colocado en la parte superior y presionado hacia abajo por un peso. El agua dentro de la bomba solo podía escapar a través de un pequeño grifo o válvula. [10] [11] A medida que el émbolo caía gradualmente, su movimiento pasaba hacia arriba mediante una palanca oscilante y una varilla hasta el engranaje de la válvula en la cámara central. Una vez que la varilla había subido lo suficiente, esta abrió la primera válvula para admitir vapor en la parte superior del cilindro, comenzando una nueva carrera. [ii]
Una vez que comenzó la carrera, el motor empujó hacia abajo la palanca oscilante de la catarata. Esto levantó el émbolo, que actuó como una bomba de succión dentro de la catarata para rellenar la caja del émbolo, a través de una válvula de aleta de la cisterna circundante. [13] La cisterna se mantuvo llena de agua mediante la bomba que el motor mismo estaba funcionando.
La válvula de salida de agua estaba controlada por una varilla de la cámara inferior. Este fue utilizado por el conductor del motor para controlar la velocidad de trabajo, de acuerdo con el trabajo requerido. [13]
La varilla de accionamiento de la catarata también tenía un ajustador de tornillo, que actuaba para variar el tiempo de inyección de agua (Newcomen) o la fase entre las válvulas de entrada y escape (Cornish). [13] Esto podría usarse para dar un tiempo de condensación más prolongado y efectivo, si el suministro de agua de condensación estuviera caliente, como en el verano. Sin embargo, este ajuste parece haber sido poco comprendido y poco utilizado por los conductores del motor. [10]
Desarrollo
Cataratas tempranas
La catarata apareció por primera vez en los motores Newcomen en Cornwall, aunque se desconoce su inventor. Fueron conocidos en la época de Smeaton , y pueden ser otro de los desarrollos del motor de Newcomen del que fue responsable. [6] James Watt los encontró en su viaje a Cornualles en 1777. [14] Eran de un tipo más simple, estas primeras cataratas o 'gato en la caja' eran una simple caja giratoria: una caja de madera sobre un pivote estaba llena de agua a través de un grifo ajustable. [6] Cuando la caja se llenaba lo suficiente como para sobrebalancear, la válvula de inyección del motor se disparaba.
Vatio
Boulton y Watt usaron el diseño simple de cataratas en caja giratoria durante algunos años después, hasta alrededor de 1779. [15] [16] Después de esto, se usaron otros diseños, incluida una catarata de agua donde se usaba y reciclaba la misma agua continuamente y también un aire catarata mediante fuelles circulares. Se suministró una catarata de aire de este tipo para la mina Ale and Cakes . El diseño de cataratas de bomba de émbolo había aparecido en Cornualles en 1785, pero no fue invención de Watt. [15]
Cataratas posteriores
El término "catarata" se convirtió en sinónimo de dashpot , al menos cuando se asociaba con las máquinas de vapor y sus gobernadores. Se utilizaron como dispositivo de amortiguación para evitar la hipersensibilidad con reguladores centrífugos. [17]
Las cataratas también se utilizaron como un dispositivo de seguridad de exceso de velocidad para las bombas de agua de acción directa. [iii] Se colocó un balancín o palanca "diferencial" entre el vástago del pistón de la bomba y una catarata ajustada para la velocidad de trabajo normal de la bomba. Si la bomba se acelerara repentinamente, debido al estallido de la bomba o similar, el pistón adelantaría la catarata y la acción de la palanca del diferencial cerraría la válvula de entrada de vapor de la bomba y pararía la bomba, limitando posibles daños. [18]
Control de lazo abierto
La catarata, como la mayoría de los reguladores, es un ejemplo de servomecanismo . Sin embargo, a diferencia del gobernador centrífugo Watt más conocido, este es un control de circuito abierto , en lugar de circuito cerrado . La catarata funciona a su propia velocidad, pero no mide la velocidad resultante del motor. La catarata también se ha descrito como un "reloj de agua". [15] Esto supone que la relación entre el funcionamiento de la catarata y la velocidad del motor es fija, lo cual es una suposición válida para un motor de barra, ya que la catarata controla la sincronización de la carrera del motor, en lugar de una potencia variable o una válvula de mariposa. Cuando un gobernador controla tal válvula de mariposa, como para el gobernador Watt, la velocidad del motor depende de una relación compleja e impredecible entre la carga del motor, la posición de la válvula y la eficiencia variable del motor. Dichos gobernadores deben utilizar un control de circuito cerrado si quieren mantener una regulación eficaz y precisa.
Sincronización
Una ventaja de la naturaleza de circuito abierto e independiente del control de la catarata era que dos motores podían ajustarse para funcionar en sincronización, pero en antifase . Con los motores de bombeo, esto dio un rendimiento más uniforme a su bombeo. [19]
Gobernador centrífugo
Aunque el gobernador centrífugo ya era conocido por su uso para molinos de agua y de viento , no fue hasta 1788 cuando Watt fue el primero en aplicarlo a una máquina de vapor. [20] Este era el ' Lap Engine ', un motor rotativo temprano que ahora se conserva en el Museo de Ciencias de Londres .
Con un motor rotativo, era necesario controlar la velocidad a la que un motor se movía a lo largo de su carrera, no simplemente variar la sincronización entre carreras. Esto requirió el uso de una válvula reguladora en el suministro de vapor, controlada por el gobernador. Como la carga en los motores de los molinos y usos similares podía variar, también se necesitaba un control de circuito cerrado, como el regulador centrífugo basado en la velocidad del motor. [20] Por lo tanto, la catarata no se usó en motores rotativos, ni siquiera donde todavía se usaban motores de bobinado de Cornualles de acción simple en Cornualles. [21]
Los motores de Cornualles no podían controlarse mediante una válvula de mariposa, ya que su ciclo de funcionamiento dependía del tiempo de condensación más que de un suministro de vapor estrangulado. Los motores de haz no rotativo tampoco tenían medios fáciles para impulsar un gobernador centrífugo. Por estas razones, la catarata permaneció en servicio tanto tiempo como lo hizo el motor de Cornualles. [22]
Notas
- ↑ Algunos motores de bobinado de Cornualles tenían sus válvulas dispuestas en diferentes números de pérgolas, aunque su funcionamiento básico sigue siendo el mismo.
- ^ Este fue el inicio de un accidente cerebrovascular con el ciclo de Cornualles. Para un motor Newcomen, la catarata activó la válvula de inyección de agua que causó condensación en el cilindro, [12] y por lo tanto el comienzo de la carrera de potencia.
- ^ Éstos eran el tipo de bomba recíproca pequeña que se usa comúnmente como bombas de agua de alimentación de calderas y que a menudo se describe como el tipo 'vertedero'.
Referencias
- ^ Woodall (1975) , p. 29.
- ↑ a b Evers, Henry (1875). Steam y la máquina de vapor: terrestres y marinos . Glasgow: Williams Collins. págs. 60–61.CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- ^ Woodall (1975) , págs. 29-30.
- ↑ a b ( Woodall 1975 , págs. 31-33)
- ^ Clark, Daniel Kinnear (1892). "3: Tratado sobre motores y calderas" . La máquina de vapor . II . Blackie & Son. págs. 275-276.CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- ^ a b c Farey, John (1827). Un tratado sobre la máquina de vapor: histórico, práctico y descriptivo . Vol 1. págs. 188-189.
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tiene texto extra ( ayuda )CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace ) - ^ Farey (1827) , p. 187.
- ^ Clark (1892) , pág. 339.
- ^ Clark (1892) , pág. 203.
- ^ a b Woodall, Frank D. (1975). Motores de vapor y ruedas hidráulicas . Páramo. págs. 33–34. ISBN 0903485354.CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- ^ Kelly, Maurice (2002). "Apéndice A: Crofton Nº 1 Boulton & Watt Engine". El motor de haz no rotativo . Servicios de vapor en miniatura de Camden. pag. 21. ISBN 0-9536523-3-5.CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- ^ Clark (1892) , pág. 169.
- ↑ a b c Kelly (2002) , p. 56.
- ^ Dickinson y Jenkins (1927) , p. 46.
- ^ a b c Dickinson, HW; Jenkins, R. (1981) [1927]. James Watt y la máquina de vapor . Publicación de Moorland. págs. 183-184. ISBN 0-903485-92-3.
- ^ Clark (1892) , pág. 365.
- ^ Clark (1892) , págs. 67,182.
- ^ Clark (1892) , pág. 281.
- ^ "El motor Grand Junction de 100 pulgadas" . Museo de vapor de Kew Bridge .
- ↑ a b ( Dickinson y Jenkins , 1927 , págs. 220-223)
- ^ Woodall (1975) , p. 49.
- ^ Motor de bombeo 'Victoria', Central de abastecimiento de agua de East London, ( Clark 1892 , págs. 275-276)