Las máquinas de vapor de alta velocidad fueron uno de los desarrollos finales de la máquina de vapor estacionaria . Corrían a alta velocidad, de varios cientos de rpm, [1] que era necesaria para tareas como la generación de electricidad. [2]
Definir características
Tienen dos características principales:
- Alta velocidad.
- Esto es suficiente para impulsar una pequeña dinamo directamente, en lugar de necesitar un impulso de transmisión por correas.
- Regulación precisa de la velocidad.
- La generación por dínamo requiere una velocidad de rotación estable para un voltaje de salida estable, incluso cuando cambia la carga. Cuando se accionaba un alternador , la frecuencia de salida también dependía de una velocidad de rotación estable.
Estos también dieron como resultado una serie de características secundarias. Aunque estos no definían el tipo, o siempre lo eran, eran reconociblemente comunes:
- Lubricación mejorada, como lo requiere su alta velocidad.
- Esto a menudo usaba un cárter cerrado con un cárter de aceite y lubricación por ' salpicaduras ' o por engrasadores de anillo . Algunos llegaron a tener bombas de aceite accionadas por motor y un sistema de circulación .
- Bastidores pequeños y rígidos de hierro fundido , de modo que no requirieran los complejos cimientos de mampostería habituales de los grandes motores estacionarios .
- Cilindros de simple efecto .
- A medida que el cárter se volvió más importante para la lubricación, el diseño fue más simple si la presión de vapor solo se aplicaba a un lado del cilindro. Esto tiene una segunda ventaja: como la fuerza del vapor ahora está solo en un lado del pistón, la fuerza sobre los cojinetes seguirá variando a lo largo de la carrera, pero ya no invierte su dirección. [i] Esto reduce los efectos de cualquier inclinación del rodamiento a alta velocidad. [3]
No se necesitaba alta velocidad para la generación de energía eléctrica en las plantas más grandes de la ciudad. [ii] Como estas plantas eran necesariamente grandes, también podían utilizar dínamos de gran diámetro con muchas piezas polares. Esto dio la velocidad lineal necesaria (en polos pasados / tiempo) para una menor velocidad del eje de rotación.
Estos motores se produjeron con ciclos operativos simples o compuestos . Los ejemplos más pequeños solían ser simples, ya que las dificultades para lograr una buena regulación superaban las eficiencias de la composición. Los motores de alta velocidad desarrollaron una reputación de despilfarro. [1] Para motores más grandes, valió la pena el ahorro de combustible y se utilizaron diseños compuestos como el motor Willans .
También utilizaron una amplia gama de válvulas. Los ejemplos con válvulas de corredera o de pistón eran comunes. Los motores de acción simple de varios cilindros generalmente comparten una válvula de pistón entre dos cilindros, ya sea entre los cilindros o horizontalmente por encima de ellos. [1]
El engranaje de válvulas que impulsaba estas válvulas era generalmente simple, un excéntrico único diseñado solo para funcionar a una velocidad, en una dirección, para una carga bastante constante. Aunque estos motores eran contemporáneos de engranajes de válvulas sofisticados y eficientes como el Corliss , estas válvulas de cierre eran incapaces de funcionar con la suficiente rapidez. [3] [4] [5]
Motores "automáticos"
Un requisito clave para la máquina de vapor de alta velocidad era el control preciso de una velocidad constante, incluso bajo una carga que cambia rápidamente. Aunque el control de las máquinas de vapor a través de un regulador centrífugo se remonta a Watt , este control era inadecuado. Estos primeros gobernadores operaban una válvula de mariposa para controlar el flujo de vapor al motor. Esto proporciona un control de respuesta inadecuada para la velocidad constante necesaria para la generación de electricidad.
La solución desarrollada para las máquinas de vapor de alta velocidad fue el gobernador "automático". En lugar de controlar el caudal de vapor, controlaba la sincronización o el " corte " de las válvulas de entrada. [6] [7] Este gobernador estaba intercalado entre el cigüeñal y el excéntrico que impulsaba el engranaje de la válvula. A menudo se fabricaba como parte del volante del motor. Un peso de bobinado centrífugo en el gobernador se movió contra un resorte con velocidad creciente. Esto provocó que la posición del excéntrico cambiara en relación con la manivela, cambiando la sincronización de la válvula y provocando un corte temprano. Como este control actuaba directamente en el puerto del cilindro, en lugar de hacerlo a través de una tubería larga de una válvula de mariposa, podría actuar muy rápido.
Lubricación
Lubricación por salpicadura del cárter cerrado
Lubricación por salpicadura : la lubricación de los primeros motores de alta velocidad, como el Ideal (un motor horizontal de manivela abierta), [8] se lubricaron mediante un desarrollo de los sistemas de copa de aceite que antes se extendían a los motores estacionarios de velocidad media. Las copas de aceite y los lubricadores multipunto podrían engrasar los cojinetes del eje lo suficientemente bien y una sola mirilla podría ser observada incluso por el conductor de motor o engrasador más descuidado . La dificultad era que en los motores de alta velocidad, los engrasadores ya no podían montarse en partes móviles, como la cruceta o la biela. Cualquier depósito de aceite aquí sería revuelto por el movimiento y una reserva tan necesariamente pequeña también podría ser una incapacidad inadecuada para un motor que hace tanto trabajo en un espacio pequeño. Por lo tanto, se prestó más atención a la minuciosidad de la lubricación, y las partes móviles, como el muñón del cigüeñal, se alimentaron mediante perforaciones a través del cigüeñal provenientes de suministros de aceite que giraban pero no se movían, como los cojinetes principales. También se utilizó fuerza centrífuga para distribuir el aceite. [8] Era habitual que los motores de alta velocidad tuvieran sólo uno o dos lubricadores, [iii] de modo que cuidar el motor era una tarea más sencilla y menos propensa a averías por simple descuido y funcionamiento del lubricador en seco.
Motores de simple efecto
A medida que aumentaban las velocidades, el motor de alta velocidad evolucionó hacia su forma desarrollada de motor vertical de varios cilindros con un cárter cerrado . También hubo una tendencia a utilizar pistones de acción simple . Esto tenía dos ventajas, la lubricación podía ser proporcionada por un generoso sistema de 'salpicaduras' dentro del cárter que también ayudaba con el enfriamiento, y en segundo lugar que las fuerzas en un motor de acción simple siempre actúan de la misma manera, como una fuerza de compresión a lo largo del motor. vástago del pistón y biela. Esto significaba que incluso si las holguras de un rodamiento eran relativamente flojas, el rodamiento siempre se mantenía apretado. Se podrían aceptar rodamientos flojos y, por lo tanto, de funcionamiento libre. Un ejemplo de un motor de este tipo serían los motores Westinghouse de dos cilindros . [9] Estos motores usaban un pistón troncal , como se usa hoy en los motores de combustión interna, donde no hay una cruceta separada y el pasador de la biela se mueve hacia arriba dentro del pistón mismo. Esto proporciona un diseño muy compacto, pero obviamente requiere un pistón de acción simple. Los cojinetes principales del cigüeñal de este motor estaban provistos de engrasadores separados que drenaban en el cárter del cigüeñal. Se reconoció que el aceite del cárter se contaminaría con el agua del vapor condensado y el escape de los pistones. Se proporcionó una válvula para drenar este condensado recolectado de debajo del aceite en el fondo del sumidero profundo.
Motores de doble efecto y la invención de la lubricación a presión
El importante concepto de lubricación a presión de los cojinetes de los motores comenzó con las máquinas de vapor de alta velocidad y ahora es una parte vital de los motores de combustión interna . Esto es confiable como sistema de lubricación y también permite el uso de cojinetes hidrostáticos ('cuña de aceite') que pueden soportar cargas mayores. Las primeras patentes para esto fueron otorgadas a Belliss & Morcom en 1890, del trabajo de su dibujante Albert Charles Pain. [3] Belliss & Morcom prefirió los cilindros de doble acción, a fin de producir los motores más pequeños posibles para una potencia determinada; uno de sus principales mercados, como Peter Brotherhood , era el suministro de grupos electrógenos a la Royal Navy para su uso en los confines de la sala de máquinas de un buque de guerra. La dificultad de un motor de doble efecto era que la dirección de las fuerzas en la biela ahora se invierte entre la compresión y la tensión, por lo que las holguras de los cojinetes deben hacerse más estrechas para evitar cualquier traqueteo. Belliss y Morcom desarrollaron un motor de dos cilindros de 20 CV a 625 rpm que utilizaba una pequeña bomba de aceite separada para alimentar aceite a presión a los cojinetes del cigüeñal, a través de largos orificios perforados en el cigüeñal. Esto proporcionó lubricación y enfriamiento confiables y la presión de la película de aceite fue suficiente para permitir el uso de motores de doble acción con espacio suficiente para proporcionar un funcionamiento libre. [10]
Ver también
- Motor de Willans
- Motor uniforme
- Motor de vapor , la aplicación de los principios del motor de alta velocidad a las locomotoras de vapor.
Notas
- ^ La misma dirección de fuerza constante es una característica del motor de combustión interna de dos tiempos , aunque no del de cuatro tiempos .
- ^ La primera de estas plantas se fabricó para alumbrado público o tranvías eléctricos , algunos años antes de que se popularizara el suministro eléctrico doméstico.
- ^ El aceite de vapor para uso dentro del cilindro solía ser de un grado diferente al aceite para cojinetes, especialmente si el suministro de vapor estaba sobrecalentado .
Referencias
- ^ a b c Motor de vapor de alta velocidad . Libro de referencia de Scientific American: un manual para la oficina, el hogar y la tienda (encuadernado en cuero) . Científico americano. 1921., 400 hasta 1200 rpm
- ^ Kennedy, Rankin (1912). El libro de motores y generadores de energía modernos . Vol. IV (edición de 1912 del libro de 1905. Ed.). Londres: Caxton. págs. 195–215.
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tiene texto extra ( ayuda ) - ^ a b c "Motores de vapor de alta velocidad" . 20 de diciembre de 2005.
- ^ Hawkins, Nehemías (1897). Nuevo Catecismo de la Máquina de Vapor . Nueva York: Theo Audel.
- ^ Dalby, William Ernest (octubre de 2008). Válvulas y mecanismos de engranajes de válvulas . ISBN 9780559366307.
- ^ Hawkins, Nuevo Catecismo de la máquina de vapor , págs. 100-101.
- ^ Kennedy, Rankin (1903). Producción de Energía Eléctrica, Prime Movers, Generadores y Motores . Instalaciones eléctricas. Vol. III (edición de 1903 (cinco volúmenes) de la edición de cuatro volúmenes anterior a 1903). Londres: Caxton. págs. 78–80.
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tiene texto extra ( ayuda ) - ↑ a b Hawkins, Nuevo Catecismo de la Máquina de Vapor , p. 105.
- ^ Hawkins, Nuevo Catecismo de la máquina de vapor , págs. 110-113.
- ^ Storer, JD (1969). "11: Motores de vapor de alta velocidad". Una historia simple de la máquina de vapor . John Baker. págs. 155-156. ISBN 0212-98356-3.
Otras lecturas
- Norris, William; Morgan, Benjamin H. (1900). Motores de vapor de alta velocidad .