Motor de vapor Corliss

Una máquina de vapor Corliss (o motor Corliss ) es una máquina de vapor , equipada con válvulas rotativas y con sincronización variable de válvulas patentada en 1849, inventada y llamada así por el ingeniero estadounidense George Henry Corliss de Providence, Rhode Island .

Una máquina de vapor Corliss: el engranaje de la válvula está a la derecha del bloque de cilindros, a la izquierda de la imagen.

Los motores equipados con engranajes de válvulas Corliss ofrecieron la mejor eficiencia térmica de cualquier tipo de máquina de vapor estacionaria hasta el refinamiento de la máquina de vapor uniflow y la turbina de vapor en el siglo XX. Los motores Corliss eran en general un 30 por ciento más eficientes en combustible que los motores de vapor convencionales con corte fijo. ^[1] Esta mayor eficiencia hizo que la energía de vapor fuera más económica que la energía del agua, permitiendo el desarrollo industrial lejos de los estanques de molino. ^[2]

Los motores Corliss se usaban típicamente como motores estacionarios para proporcionar energía mecánica a los ejes de línea en fábricas y molinos y para impulsar dínamos para generar electricidad. Muchos eran bastante grandes, tenían muchos metros de altura y desarrollaban varios cientos de caballos de fuerza , aunque a baja velocidad, girando enormes volantes que pesaban varias toneladas a aproximadamente 100 revoluciones por minuto. Algunos de estos motores tienen funciones inusuales como sistemas mecánicos heredados y, debido a su eficiencia relativamente alta y bajos requisitos de mantenimiento, algunos permanecen en servicio hasta principios del siglo XXI. Vea, por ejemplo, los motores en Hook Norton Brewery y Distillerie Dillon en la lista de motores operativos.

Mecanismos del motor Corliss

Los motores Corliss tienen cuatro válvulas para cada cilindro, con válvulas de vapor y de escape ubicadas en cada extremo. Los motores Corliss incorporan distintos refinamientos tanto en las válvulas como en el engranaje de la válvula , es decir, el sistema de conexiones que operan las válvulas.

El uso de válvulas separadas para la admisión y el escape de vapor significa que ni las válvulas ni los conductos de vapor entre los cilindros y las válvulas necesitan cambiar de temperatura durante el ciclo de potencia y escape, y significa que la sincronización de las válvulas de admisión y escape se puede controlar de forma independiente. . Por el contrario, las máquinas de vapor convencionales tienen una válvula de corredera o válvula de pistón que alimenta y descarga alternativamente a través de pasajes a cada extremo del cilindro. Estos pasajes están expuestos a grandes cambios de temperatura durante el funcionamiento del motor y existen gradientes de temperatura elevados dentro del mecanismo de la válvula.

Clark (1891) comentó que el engranaje Corliss "es esencialmente una combinación de elementos previamente conocidos y utilizados por separado, que afectan al cilindro y al engranaje de la válvula". ^[3] Los orígenes del engranaje Corliss con respecto al engranaje de válvula de vapor anterior fue rastreado por Inglis (1868). ^[4]

Engranaje de válvula Corliss

"Engranaje de válvulas Corliss mejorado de Gordon", vista detallada. La placa de muñeca es la placa central desde la cual se irradian varillas a cada una de las cuatro válvulas.

George Corliss recibió la patente de EE.UU. 6.162 para su engranaje de válvulas el 10 de marzo de 1849. Esta patente cubría el uso de una placa de muñeca para transmitir el movimiento de la válvula desde una excéntrica única a las cuatro válvulas del motor, y cubría el uso de un viaje válvulas con corte variable bajo control gobernador que caracterizan a los motores Corliss. ^[5] A diferencia de los motores posteriores, la mayoría de los cuales eran horizontales, esta patente describe un motor de viga de cilindro vertical y utiliza válvulas deslizantes individuales para la admisión y el escape en cada extremo del cilindro.

Las válvulas de entrada se abren con un trinquete de accionamiento excéntrico ; cuando se dispara el trinquete , el cierre rápido se amortigua mediante un amortiguador . En muchos motores, el mismo amortiguador actúa como un resorte de vacío para cerrar las válvulas, pero los primeros motores de Corliss eran lo suficientemente lentos como para que el peso del pistón y la varilla del amortiguador cerraran la válvula.

La velocidad de un motor Corliss se controla variando el corte de vapor durante cada golpe de potencia, dejando el acelerador completamente abierto en todo momento. Para lograr esto, el gobernador centrífugo está vinculado a un par de levas, una para cada válvula de admisión. Estas levas determinan el punto durante la carrera del pistón en el que se liberará el trinquete, permitiendo que la válvula se cierre.

Al igual que con todas las máquinas de vapor donde se puede regular el corte, la virtud de hacerlo radica en el hecho de que la mayor parte de la carrera de potencia es impulsada por la expansión del vapor en el cilindro después de que la válvula de admisión se ha cerrado. Esto se acerca mucho más al ciclo ideal de Carnot de lo que es posible con un motor en el que la válvula de admisión está abierta durante toda la carrera de potencia y la velocidad está regulada por una válvula de mariposa .

El engranaje de la válvula de Corliss permitía una velocidad más uniforme y una mejor respuesta a los cambios de carga, lo que lo hacía adecuado para aplicaciones como laminadores y hilatura, y ampliaba enormemente su uso en la fabricación. ^{[6] [7]}

Válvulas Corliss

Cilindro seccionado, mostrando válvulas giratorias

Detalle de un engranaje de válvula tipo Corliss y una sección transversal del cilindro que muestra la trayectoria del vapor a alta presión (en rojo) y del vapor de baja presión (en azul). Con cada carrera, las cuatro válvulas alternan la apertura y el cierre, impulsando el pistón hacia adelante y hacia atrás.

Las válvulas Corliss se abren directamente en el cilindro. Las válvulas conectan el cilindro a vapor y de escape separadas cámaras impelentes . Inicialmente, Corliss usaba válvulas deslizantes con actuadores lineales, pero en 1851, Corliss se había cambiado a actuadores de válvulas semirrotativas, como se documenta en la patente estadounidense 8253. ^[8] En este motor, la placa de la muñeca se movió al centro del lado del cilindro. , como en motores Corliss posteriores. Sin embargo, este todavía era un motor de viga , y los actuadores de válvulas semirrotativas operaban válvulas deslizantes lineales dentro de las cuatro cajas de válvulas del motor.

Las válvulas Corliss tienen la forma de un segmento circular menor , que gira dentro de una cara de válvula cilíndrica. Su mecanismo de actuación está desactivado a lo largo del eje de la válvula, por lo que tienen poco "espacio muerto", como el vástago de una válvula de asiento, y toda el área del puerto se puede usar de manera eficiente para el flujo de gas.

Como el área de una válvula Corliss es pequeña en comparación con el área del puerto, los efectos del flujo de gas generan un par relativamente pequeño en el eje de la válvula en comparación con otros tipos de válvulas. Estas ventajas han llevado a que la forma de válvula Corliss se utilice en otras funciones, además de en máquinas de vapor con engranajes Corliss.

El motor aeronáutico Rolls-Royce Merlin usaba una válvula de mariposa rectangular como acelerador. Las fuerzas de flujo de gas que actúan asimétricamente sobre esta mariposa podrían conducir a un control deficiente de la energía en algunas circunstancias. Los últimos modelos, desde el 134, utilizaron una válvula de mariposa Corliss en su lugar para evitar este problema. ^[9]

Bloqueando y bloqueando motores

Una característica común de los motores Corliss grandes es uno o dos juegos de dientes de engranaje estrechos en el borde del volante . ^[10] Estos dientes permiten que el volante de inercia que se prohibió , es decir, se volvió con la ayuda de una barra de hierro . ^[11] Esto puede ser necesario durante el mantenimiento del motor, por ejemplo, para establecer la sincronización de la válvula de corte y admisión, y puede ser necesario durante el arranque del motor.

La necesidad de bloquear el motor durante el arranque es más obvia en los motores de un solo cilindro, donde un operador de motor descuidado podría detener el motor con el pistón en o cerca del punto muerto . Una vez detenido en este estado, el motor no se puede arrancar por sus propios medios, por lo que debe bloquearse a una posición más favorable para el arranque.

Los motores Corliss grandes no se pueden arrancar en frío de forma segura, ^{[ ¿por qué? ]} por lo que es común admitir vapor a baja presión a ambos lados del cilindro para calentar la estructura metálica. Girar el motor lentamente durante este proceso asegura que todo el motor se caliente uniformemente y asegura que el aceite se distribuya uniformemente a través del mecanismo antes de aplicar energía. ^[12] Nuevamente, se pueden usar restricciones para hacer esto, aunque los operadores a veces lo hacen mediante una cuidadosa manipulación manual de las válvulas. ^[13]

Para motores grandes, la restricción impulsada por músculos es lo suficientemente difícil como para que los motores de restricción se instalen con frecuencia. ^[14] Estos son motores pequeños con dientes de engranaje cortados para acoplarse con los dientes del volante. Generalmente, los engranajes impulsores del motor de restricción están diseñados para desacoplarse automáticamente si el motor comienza a funcionar por su propia potencia mientras los engranajes de restricción están engranados.

Historia de la Compañía

The Corliss Steam Engine Company se conocía originalmente como Fairbanks, Clark & ​​Co. en la década de 1830. En 1843 pasó a llamarse Fairbanks, Bancroft & Co. cuando Edward Bancroft se unió a la empresa. En 1846 pasó a llamarse Bancroft, Nightingale & Co. cuando George H. Corliss se unió a la empresa, y en 1847 pasó a llamarse Corliss, Nightingale and Co. En 1848 la empresa se trasladó a Charles Street Railroad Crossing en Providence, Rhode Island .

Engranaje de válvulas típico de los motores desarrollados por los competidores de Corliss. La disposición horizontal de los salpicaderos y la falta de una placa de muñeca evitaron reclamos clave en las patentes de Corliss.

En 1857, la empresa pasó a llamarse por última vez Corliss Steam Engine Company. En 1864, Corliss compró la participación de sus socios y era el único propietario de la empresa. En 1900, la International Power Company compró Corliss Steam Engine Company. En 1905 fue comprado por American and British Manufacturing Company. En 1925, la empresa se fusionó con Franklin Machine Company. Para entonces, Franklin Machine Company ya era propiedad de William A. Harris Steam Engine Company.

Para 1859, todas las características clave de lo que ahora conocemos como motor Corliss estaban en su lugar. Las patentes otorgadas a Corliss y otros incorporaron válvulas rotativas y cigüeñales en línea con los cilindros. Véase, por ejemplo, la patente estadounidense 24.618 de Corliss, concedida el 5 de julio de 1859. ^[15] Los inventores de la competencia trabajaron duro para inventar alternativas a los mecanismos de Corliss; generalmente evitaron el uso de una placa de muñeca por parte de Corlis y adoptaron mecanismos de liberación alternativos para las válvulas de vapor, como en la patente estadounidense 19.640 de Jamieson, otorgada el 16 de marzo de 1858. ^[16]

La patente de Corliss de 1849 expiró en 1870; el plazo de esta patente se había extendido por la reedición de la patente estadounidense 200 el 13 de mayo de 1851 y las reediciones de la patente estadounidense 758 y 763 el 12 de julio de 1859. B. Hick and Son fueron los primeros en introducir el motor Corliss en el Reino Unido alrededor de 1864. Después de 1870, muchas otras empresas comenzaron a fabricar motores Corliss. Entre ellos, el William A. Harris Steam Engine Company, ^[17] la bomba y las máquinas de la empresa Worthington , ^[18] y Allis-Chalmers . ^[19] En general, estas máquinas se conocían como motores Corliss independientemente de quién las fabricara.

Motor centenario

El Corliss Centennial Engine era un motor de haz giratorio con todo incluido, especialmente construido , que impulsaba prácticamente todas las exhibiciones en la Exposición del Centenario en Filadelfia en 1876 a través de ejes que totalizaban una milla de longitud. Encendido por el presidente Ulysses S. Grant y el emperador Pedro II de Brasil , el motor estuvo a la vista del público durante la feria.

El motor se configuró como dos cilindros uno al lado del otro. Cada cilindro fue perforado a 44 pulgadas (112 cm) con una carrera de 10 pies (3,0 m). El motor Centennial tenía 45 pies (14 m) de altura, tenía un volante de 30 pies (9,1 m) de diámetro y producía 1.400 caballos de fuerza (1.000 kW). Después de la feria, se desmontó y se envió de regreso a la planta de Corliss en Providence. Siete años más tarde fue vendido y alimentado en una fábrica de Chicago propiedad de George Pullman hasta 1910, ^[20] cuando se vendió como chatarra. ^[21]

Este motor se convirtió en un ícono cultural, tanto que para muchos historiadores modernos el término Corliss Engine (o Corliss Steam Engine ) se refiere a este motor específico y no a la amplia clase de motores equipados con engranajes de válvulas Corliss. ^[22]

Motor de vapor centenario

• Modelo en exhibición en el Museo MIT

• El presidente de los Estados Unidos, Ulysses S. Grant, y el emperador Pedro II de Brasil, iniciando el Corliss Centennial Engine en la ceremonia de apertura de la Exposición del Centenario en Filadelfia , 1876.

Lista de motores operativos

"> Reproducir medios

El 1903 Burnley Ironworks Corliss Mill Engine en acción en el Museo de Ciencias de Londres , Inglaterra, Reino Unido.