El motor de Willans o motor de válvula central era un motor de vapor estacionario de alta velocidad utilizado principalmente para la generación de electricidad a principios del siglo XX.
El motor de Willans fue uno de los ejemplos más conocidos del motor compuesto de campanario . [1] Estos eran motores compuestos de doble o triple expansión , con las características inusuales de los cilindros de acción simple y una válvula de eje central compartida entre todos los cilindros de ese eje. [i] [3] [4] Los cilindros están dispuestos como compuestos en tándem , con cilindros de alta y baja presión montados en el mismo eje vertical. Esta disposición vertical del compuesto de campanario proporciona un diseño de piso compacto para un motor de tal potencia.
Los motores Willans no fueron los primeros motores de alta velocidad para la generación de electricidad, pero pronto se adoptaron para convertirse en el tipo predominante en servicio. [5]
Aplicaciones
Generación eléctrica
Los motores fueron desarrollados por Peter W. Willans y Mark Robinson en Thames Ditton , principalmente para el creciente mercado de generación eléctrica. En 1884 se les concedió una patente para el principio de la válvula central. [5] [6]
En la década de 1890, más del tipo Willans estaban en servicio para la generación de electricidad que cualquier otro tipo. [5] [7] Al igual que con otras máquinas de vapor de alta velocidad, se necesitaba una máquina de vapor que funcionara a velocidades suficientemente altas para impulsar las dínamos directamente y que también tuviera una regulación precisa de la velocidad bajo carga cambiante, para mantener el voltaje correcto. . Mantener la frecuencia correcta para los sistemas de CA era aún más importante, pero los sistemas de CA tendían a favorecer los motores de baja velocidad con grandes volantes, en lugar de los motores de alta velocidad utilizados para CC . [8]
Otros usos
Molinos
Los motores Willans también se utilizaron para impulsar las fábricas textiles , aunque como muchas fábricas se habían construido para esta fecha, los motores Corliss de compuestos cruzados y los motores de válvula de caída de más larga tradición son más conocidos en esta aplicación. El motor Willans, su baja inercia y su preciso control de velocidad lo hacían muy adecuado para el trabajo en molinos. Se consideró que la velocidad constante del eje que proporcionaba, incluso bajo una carga variable, mejoraba la calidad del hilado y reducía el número de extremos rotos por cargas de impacto. [9] [10]
Los motores Willans se utilizaron para impulsar los barcos antitorpederos del Almirantazgo. [11] Se informó que los barcos eran rápidos, los motores silenciosos. [12]
Operación
Operación de simple efecto
El motor de Willans era de acción simple ; La presión de vapor solo se aplicó a la superficie superior de los pistones. Esta era una característica común de los motores de alta velocidad en este momento, en una medida para reducir los golpes y un mayor desgaste, permitiendo así velocidades de operación más altas. [3] El principio era que en un motor de acción simple las fuerzas en la biela y sus cojinetes siempre actúan para comprimir la biela, en lugar de invertir la dirección dos veces en cada revolución, como en el motor de acción doble. [13] Los latones del cojinete inferior, que soportaban una carga solo durante el arranque, eran más pequeños que la muñequilla y los latones de trabajo principales de arriba. Aunque los motores de acción simple producen solo la mitad de la potencia de un motor de acción doble equivalente, o de lo contrario deben funcionar al doble de su velocidad, esta reducción de la detonación podría permitirles funcionar más del doble de rápido.
Colchón de aire
En el motor convencional de doble acción, el vapor residual quedaba atrapado en el cilindro de escape después de que la válvula se cerraba y comprimía. Este vapor comprimido tiene un efecto amortiguador y actúa para frenar el pistón al final de la carrera. [ii] En el motor de simple efecto no hay un efecto similar al final de la carrera de potencia. Anteriormente, esto había sido una limitación en la velocidad de funcionamiento de los motores de acción simple.
En el motor Willans, la amortiguación al final de la carrera fue proporcionada por un cilindro de aire adicional debajo de los demás. El pistón de aire también actuó como guía del maletero . Durante la carrera ascendente, la inercia del motor continúa su movimiento hacia arriba y antes de que comience la siguiente carrera no hay nada que lo retarde. El cilindro de aire cerrado actúa como un amortiguador de aire comprimido sobre el pistón de guía del maletero. [14]
Válvula de husillo central
La característica más distintiva del motor era su válvula de eje central. Este actuó como una válvula de pistón de múltiples etapas, controlando la admisión de vapor en cada uno de los cilindros compuestos. Inusualmente, la válvula trabajaba dentro del vástago del pistón hueco o del tronco, en lugar de en el bloque de cilindros o en el pecho de válvulas. Este vástago de pistón hueco unió todos los cilindros y fue mecanizado con puertos. [15]
El engranaje de válvula que accionaba la válvula era muy simple. Cada pistón tenía dos bielas paralelas , que trabajaban en muñones de muñequilla separados entre las mismas redes de manivela. Una excéntrica entre las dos manivelas impulsaba el eje de la válvula montado en el centro mediante otra biela corta. Debido a la necesidad de permitir que el vástago de la válvula pasara entre ellos, el pistón tenía dos pasadores de muñón en voladizo , en lugar de un solo pasador pasante. [15]
El vapor de entrada se suministró a la parte superior del tronco del vástago del pistón a través de tapas abovedadas distintivas. Si el motor estaba diseñado para un corte fijo, la entrada de vapor se controlaba únicamente mediante la válvula y el tronco. Cuando se iba a utilizar un corte variable, esto se logró de manera muy simple mediante un collar giratorio con puertos en ángulo que se superponían a los puertos en el maletero y, por lo tanto, controlaban su sincronización. [dieciséis]
Lubricación
La lubricación del motor Willans se realizó mediante salpicaduras de un cárter cerrado. Este se llenó con una mezcla de aceite y agua. [16] El exceso de agua del condensado se drenó del cárter a medida que se acumulaba, pero los motores no tenían los casquillos separados entre el cilindro y el cárter, con un espacio de drenaje entre ellos, que utilizaban Carel, Belliss y Morcom. o motores Alley & MacLellan (más tarde Sentinel ). [17]
Retiro
Los motores de Willans dejaron de usarse gradualmente después de la Primera Guerra Mundial, por dos razones.
En primer lugar, Belliss y Morcom desarrollaron aún más el motor de alta velocidad. Su invención en 1890 de la bomba de aceite y el sistema de lubricación forzada resolvió el problema del traqueteo del rodamiento bajo una carga inversa. [18] [19] Esto les permitió producir motores de doble efecto que eran más compactos que los de simple efecto. Cuando un motor monocilíndrico podía sustituir a un motor bicilíndrico pequeño, también suponía un ahorro de costes útil. Aunque algunos grupos electrógenos de vapor se mantuvieron en uso hasta bien entrada la década de 1980, [iii] estos eran casi todos del tipo Belliss y Morcom de doble acción.
En segundo lugar, el crecimiento de la generación de electricidad y el desarrollo de la Red Nacional favorecieron menos estaciones generadoras más grandes, en lugar de las pequeñas estaciones locales de la primera generación. Estas grandes plantas podrían utilizar más eficientemente grandes turbinas de vapor y podrían permitirse las complicadas calderas de tubos de agua de alto recalentamiento que se utilizan con ellas.
Motores similares
El motor de Carel
El motor Carel, construido por SA des Moteurs á Grand Vitesse. Brevet Carel de Sclessin-Liège , Bélgica, era muy similar a los Willans. [20] Usó un diseño similar de cilindros emparejados, en números del dos al ocho. También fue construido para doble y triple expansión. Al igual que el motor Willans, utilizó cilindros de acción simple y también utilizó la guía del maletero con colchón de aire de Willans. Se diferenciaba en el diseño de sus válvulas, ya que eran rotativas. Cada par de cilindros tenía una válvula rotativa compartida entre ellos, impulsada por un engranaje cónico de media velocidad . Al igual que la locomotora Paget , las válvulas eran de hierro fundido y funcionaban con una camisa de bronce fosforoso dentro del cilindro. [21] Como la válvula y los cilindros deben operar en fase, [iv] los puertos están duplicados. La ventaja general es una reducción en la velocidad lineal de la válvula. Estas válvulas rotativas se probaron a menudo en este período, pero rara vez con éxito. La lubricación era difícil en este momento y el sobrecalentamiento era limitado, si las válvulas no se atascaban. [20] [v]
El motor de patentes de Paxman Peache
El motor 'Peache Patent' fue producido por Davey, Paxman & Co de Colchester , quienes construyeron 260 de ellos entre 1895 y 1913. [22] James Courthope Peache había trabajado anteriormente para Willans & Robinson como Gerente de Obras en Ferry Works. Dejó Willans en enero de 1892 y en 1893 se acercó a James Paxman con su propio diseño de un motor de acción simple de alta velocidad. Más tarde regresó a Willans, en 1904 se convirtió en director de la empresa, ahora con sede en Rugby, y en 1908 se convirtió en director general. [22]
El motor Peache se consideró como otro compuesto en tándem de acción simple, aunque tenía un diseño de cilindro inusual. El volumen medio de los cilindros de alta y baja presión era común, sin el casquillo habitual para aislarlos. [22] El pistón de alta presión actúa hacia abajo y el de baja presión actúa hacia arriba. El espacio entre los pistones, denominado "cilindro de control", se llena parcialmente con vapor extraído del cilindro de alta presión. Como se comprime cuando los pistones se mueven hacia arriba, actúa de manera similar al colchón de aire de los Willans. [13]
Las válvulas de pistón detrás de los cilindros funcionaban mediante una forma de engranaje de válvula radial , impulsado por la biela. [22]
Inusualmente para una máquina de vapor, pero algo ventajoso para un motor de efecto simple, el Peache era un motor desaxe . Al compensar ligeramente el eje del cigüeñal y del pistón, las fuerzas de la cruceta permanecieron hacia la parte trasera del motor durante todo el ciclo de funcionamiento. [22] Al igual que el principio de acción simple en sí, esta dirección constante de fuerzas ayudó a reducir la vibración y el desgaste. [22]
Supervivientes
Pocos ejemplos de estos grandes motores de generación eléctrica sobreviven, incluidos los Willans. Algunos de los ejemplos aún sobreviven, incluido uno muy pequeño en el Museo de Ciencias . Este es un motor de 10 kW a 450 rpm y se muestra junto a su dínamo bipolar original . También se muestra un solo cilindro de un motor más grande, seccionado ( ilus. ).
Un grupo electrógeno de 1901 y 140 CV de tres cilindros se retiró en 1957 de la tienda de muebles Maples en Londres y se exhibió en la fábrica original de Willans en Rugby . En 2011 esto fue reconocido con un premio Engineering Heritage Award . [23] [24] En 2017 fue transferido al Internal Fire - Museum of Power en el oeste de Gales. [25]
En el Museo de la Ciencia y la Técnica de Cataluña (mNACTEC) se conserva un motor de tres cilindros y dos etapas. [26]
Notas
- ^ Es decir, una válvula suministró todos los pistones en una columna vertical. Por el contrario, Bellis (y otros) produjeron un diseño bien conocido en el que una sola válvula de pistón se compartía horizontalmente entre cilindros adyacentes. [2]
- ^ Esta recompresión fue un factor importante en la eficiencia del motor uniflow .
- ^ Principalmente en hospitales, donde ya existía una importante planta de vapor para calefacción y se necesitaban generadores de electricidad de respaldo confiables.
- ^ Esto es como un motor de combustión interna de dos tiempos , en lugar del motor de cuatro tiempos que también aplica un engranaje de reducción de media velocidad a su árbol de levas.
- ^ Como de hecho le sucedió a la locomotora Paget.
Referencias
- ^ Colinas, Richard L. (1989). Energía de Steam . Prensa de la Universidad de Cambridge . págs. 215–219. ISBN 0-521-45834-X.
- ^ Hills , 1989 , p. 218.
- ^ a b Kennedy, Rankin (1912) [1905]. "I. Piezas y accesorios de motores de vapor". Engranajes y reguladores de válvulas . El libro de motores y generadores de energía modernos. IV . Londres: Caxton. págs. 17-19.
- ^ Kennedy , 1903 , págs. 69–73.
- ^ a b c "Nuevos diseños de motores de vapor" . Museo de Ciencias .
- ^ GB 13769 , Peter W. Willans, publicado el 17 de octubre de 1874
- ^ Kennedy, Rankin (1903). Instalaciones Eléctricas . Instalaciones eléctricas. III (edición de 5 volúmenes). Londres: Caxton. págs. 32–33.
- ^ Kennedy , 1903 , pág. 69.
- ^ Hills , 1989 , p. 217.
- ^ El motor Willans para fines de conducción con cuerdas y correas . Rugby: Willans y Robinson. pag. 8.
- ^ "Forrestt e hijo" . Grace's Guide to British Industrial History . Consultado el 14 de julio de 2019 .
- ^ "Inteligencia naval y militar". The Times . 6 de mayo de 1878. p. 6.
- ^ a b Destripador, William CH (1920). "Motores de revolución rápida". Teoría y práctica de la máquina de vapor (Séptima ed.). Londres: Longmans, Green & Co. págs. 350–352.
- ^ GB 4901 , Peter W. Willans, publicado el 14 de octubre de 1882
- ↑ a b Kennedy , 1903 , págs. 71–72.
- ↑ a b Kennedy , 1903 , pág. 72.
- ^ Kennedy , 1912 , págs. 208-215.
- ^ Self, Douglas (20 de diciembre de 2005). "Motores de vapor de alta velocidad" .
- ^ Hills , 1989 , p. 219.
- ^ a b "Motores de vapor de alta velocidad" . Douglas Self. 20 de diciembre de 2005.
- ^ Kennedy , 1912 , págs. 213-215.
- ^ a b c d e f Richard Carr. Patente "Paxman" Peache "Motores de vapor" . Historia de Paxman .
- ^ "Premios de la herencia de la ingeniería" (PDF) (5ª ed.). Institución de Ingenieros Mecánicos (IMechE). pag. 47.
- ^ "Motor de vapor de válvula central" . Institución de Ingenieros Mecánicos (IMechE).
- ^ "Motor victoriano construido en Rugby sale para restauración en Gales" . Anunciante de Rugby . 20 de junio de 2017.
- ^ http://www.mnactec.cat/docs/1182326741_vapor_carbon.pdf