Máquina de vapor compuesta

Una unidad de motor de vapor compuesto es un tipo de motor de vapor en el que el vapor se expande en dos o más etapas. ^{[1] [2]} Una disposición típica para un motor compuesto es que el vapor se expande primero en un cilindro de alta presión (HP) , luego, después de haber cedido calor y perdido presión, se agota directamente en uno o más cilindros de baja presión (LP) de mayor volumen . Los motores de expansión múltiple emplean cilindros adicionales, de presión progresivamente menor, para extraer más energía del vapor. ^[3]

Esta técnica, inventada en 1781, se empleó por primera vez en una máquina de viga de Cornualles en 1804. Alrededor de 1850, los motores compuestos se introdujeron por primera vez en las fábricas textiles de Lancashire.

Hay muchos sistemas y configuraciones de compuestos, pero hay dos tipos básicos, según cómo se sincronizan las carreras de pistón de HP y LP y, por lo tanto, si el escape de HP puede pasar directamente de HP a LP ( compuestos Woolf ) o si la fluctuación de presión necesita un espacio "amortiguador" intermedio en forma de un cofre de vapor o tubería conocido como receptor (compuestos receptores). ^[4]

En una máquina de vapor de expansión simple (o "simple"), el vapor a alta presión entra en el cilindro a la presión de la caldera a través de una válvula de entrada. La presión del vapor hace que el pistón baje por el cilindro hasta que la válvula se cierra (por ejemplo, después del 25 % de la carrera del pistón). Una vez que se corta el suministro de vapor, el vapor atrapado continúa expandiéndose, empujando el pistón hasta el final de su carrera, donde la válvula de escape se abre y expulsa el vapor parcialmente agotado a la atmósfera o a un condensador. Este " corte " permite extraer mucho más trabajo, ya que la expansión del vapor realiza un trabajo adicional al realizado por el vapor a la presión de la caldera. ^[5]

Un corte más temprano aumenta la relación de expansión, lo que en principio permite extraer más energía y aumenta la eficiencia. Idealmente, el vapor se expandiría adiabáticamente y la temperatura caería en correspondencia con el aumento de volumen. Sin embargo, en la práctica, el material del cilindro circundante actúa como un depósito de calor, enfriando el vapor en la parte anterior de la expansión y calentándolo en la parte posterior. Estos flujos de calor irreversibles disminuyen la eficiencia del proceso, de modo que más allá de cierto punto, aumentar aún más la relación de expansión en realidad disminuiría la eficiencia, además de disminuir la presión efectiva media y, por lo tanto, la potencia del motor. ^[5]

En 1804, el ingeniero británico Arthur Woolf inventó una solución al dilema: en 1805 , patentó su motor compuesto de alta presión Woolf . En el motor compuesto, el vapor a alta presión de la caldera se expande primero en un cilindro de alta presión (HP) y luego ingresa en uno o más cilindros de menor presión (LP) posteriores. La expansión completa del vapor ocurre en varios cilindros y, como hay menos expansión en cada cilindro, el vapor se enfría menos en cada cilindro, lo que hace que sean prácticos índices de expansión más altos y aumenta la eficiencia del motor.

Existen otras ventajas: como el rango de temperatura es menor, se reduce la condensación en los cilindros. La pérdida por condensación se limita al cilindro de baja presión. La diferencia de presión es menor en cada cilindro, por lo que hay menos fugas de vapor en el pistón y las válvulas. El momento de giro es más uniforme, por lo que el equilibrado es más fácil y se puede utilizar un volante de inercia más pequeño. Solo es necesario construir el cilindro de alta presión más pequeño para soportar la presión más alta, lo que reduce el peso total. De manera similar, los componentes están sujetos a menos tensión, por lo que pueden ser más ligeros. Las partes reciprocantes del motor son más ligeras, lo que reduce las vibraciones del motor. El compuesto podría iniciarse en cualquier punto del ciclo y, en caso de falla mecánica, el compuesto podría restablecerse para actuar como un simple y, por lo tanto, seguir funcionando. ^[4]

Para obtener el mismo trabajo a partir de vapor a menor presión se requiere un volumen de cilindro mayor, ya que este vapor ocupa un volumen mayor. Por lo tanto, el diámetro y, en casos excepcionales, también la carrera, se incrementan en los cilindros de baja presión, lo que da como resultado cilindros más grandes.

Los motores de doble expansión (generalmente conocidos como "compuestos") expanden el vapor en dos etapas, pero esto no implica que todos estos motores tengan dos cilindros. Pueden tener cuatro cilindros que funcionan como dos pares LP-HP, o el trabajo del cilindro LP grande se puede dividir en dos cilindros más pequeños, con un cilindro HP descargando en cualquiera de los cilindros LP, lo que da un diseño de 3 cilindros donde el diámetro del cilindro y del pistón de los tres son aproximadamente iguales, lo que hace que las masas recíprocas sean más fáciles de equilibrar.

Los compuestos de dos cilindros se pueden organizar de la siguiente manera:

• Compuesto cruzado : los cilindros están uno al lado del otro
• Compuesto en tándem : los cilindros están conectados de extremo a extremo y accionan una biela común.
• Compuesto telescópico : los cilindros están uno dentro del otro.
• Compuesto en ángulo : los cilindros están dispuestos en forma de V (generalmente en un ángulo de 90°) y accionan un cigüeñal común. ^{[Fase de cilindros]}

La adopción de la mezcla de combustibles se generalizó en las unidades industriales estacionarias, donde se necesitaba mayor potencia a un costo menor, y fue casi universal en los motores marinos después de 1880. No se usó ampliamente en locomotoras de ferrocarril, donde a menudo se percibía como complicada e inadecuada para el duro entorno operativo ferroviario y el espacio limitado que brindaba el gálibo de carga (particularmente en Gran Bretaña). La mezcla de combustibles nunca fue común en los ferrocarriles británicos y no se empleó en absoluto después de 1930, pero se usó de manera limitada en muchos otros países. ^[6]

El primer intento exitoso de volar un avión de ala fija más pesado que el aire únicamente con energía de vapor ocurrió en 1933, cuando George y William Besler convirtieron un biplano Travel Air 2000 para volar con un motor de vapor V-twin de 150 hp de diseño propio en lugar del motor de gasolina de aviación en línea o radial Curtiss OX-5 habitual que habría utilizado normalmente. ^{[7] [8]}

Es una extensión lógica del motor compuesto (descrito anteriormente) dividir la expansión en aún más etapas para aumentar la eficiencia. El resultado es el motor de expansión múltiple . Estos motores utilizan tres o cuatro etapas de expansión y se conocen como motores de triple y cuádruple expansión respectivamente. Estos motores utilizan una serie de cilindros de doble efecto de diámetro y/o carrera y, por lo tanto, volumen progresivamente crecientes. Estos cilindros están diseñados para dividir el trabajo en tres o cuatro porciones iguales, una para cada etapa de expansión. La imagen adyacente muestra una animación de un motor de triple expansión. El vapor viaja a través del motor de izquierda a derecha. El cofre de válvulas para cada uno de los cilindros está a la izquierda del cilindro correspondiente.

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• 1781 – Jonathan Hornblower , nieto de uno de los constructores de motores de Newcomen en Cornualles, patentó un motor alternativo de viga compuesto de doble cilindro en 1781. James Watt le impidió seguir desarrollándolo , alegando que se habían infringido sus propias patentes. ^[9]
• 1797 – Richard Trevithick desarrolla un eficaz motor de vapor de alta presión. ^[10]
• 1804 – Arthur Woolf desarrolla el motor estacionario compuesto de alta presión Woolf , patentado en 1805. El motor Woolf redujo la magnitud incrementada del calentamiento y enfriamiento continuos de un motor de vapor de alta presión de expansión simple que conduce a la ineficiencia. También resolvió el problema de que los cilindros de hierro fundido contemporáneos no podían manejarlo bien.

• 1833 – El Hércules (1829) fue modificado para utilizar un cilindro de presión extra baja, tomado del Agrippina , con vapor de sus cilindros de alta presión. Esta modificación fue diseñada por el ingeniero holandés Gerhard Moritz Roentgen , ^[11] lo que lo convirtió en el inventor de la máquina de vapor compuesta naval. El remolcador de vapor con ruedas se utilizó con éxito para el servicio en el río Waal , ^[12] convirtiéndose en el primer barco con una máquina de vapor compuesta en entrar en servicio. ^[13]
• 1845 – William McNaught ideó un método para fijar un cilindro adicional de alta presión dentro de una máquina de viga existente. Para ello, se utilizó un tubo largo para conectar los cilindros y un conjunto adicional de válvulas para equilibrarlos. En efecto, esto actuó como un cofre receptor y se había inventado un nuevo tipo de compuesto. Este sistema permitió un mayor control de la entrada y los cortes de vapor. Se podía frenar una máquina ya sea mediante un acelerador que reducía la presión del vapor o ajustando el corte en cualquiera de los cilindros. Esto último era más eficiente ya que no se perdía potencia. El ciclo era más suave ya que los dos cilindros no estaban en fase. ^[14]
• 1865 – Se bota el SS  Agamemnon  (1865) , equipado con un motor de vapor compuesto de 300 hp . El motor fue diseñado por Alfred Holt , uno de sus propietarios. Holt había persuadido a la Junta de Comercio para que permitiera una presión de caldera de 60 psi en lugar de los 25 psi normales : se necesitaba una presión más alta para aprovechar las ventajas de la doble expansión. La eficiencia obtenida permitió a este barco viajar 8.500 millas antes de cargar carbón . Esto lo hizo competitivo en las rutas entre China y Gran Bretaña. ^{[15] [16] [17]}

• 1861 – Daniel Adamson obtuvo una patente para un motor de expansión múltiple, con tres o más cilindros conectados a una viga o cigüeñal. Construyó un motor de triple expansión para Victoria Mills, Dukinfield, que abrió sus puertas en 1867. ^[18]
• 1871 – Charles Normand, de Le Havre, instaló un motor de triple expansión en un barco del río Sena en 1871. ^[18]
• 1872 – Sir Fredrick J. Bramwell informó que los motores marinos compuestos, que funcionaban a entre 45 y 60 psi, consumían entre 2 y 2,5 libras de carbón por hora por caballo de fuerza indicado. ^[18]
• 1881 – Alexander Carnegie Kirk construyó el SS Aberdeen , el primer gran buque propulsado con éxito por un motor de triple expansión. ^[19] El éxito se basó en la solución del problema de diseñar una caldera que pudiera funcionar a las (entonces) altas presiones necesarias para obtener los beneficios de la triple expansión. ^{[20] : 106–111}
• 1887 – Se lanza el HMS Victoria , el primer acorazado propulsado por motores de triple expansión. ^[21]
• 1891 – Los motores marinos compuestos de triple expansión, que funcionaban a 160 psi, consumían en promedio alrededor de 1,5 libras de carbón por hora por caballo de fuerza indicado. ^[18]

Aunque los primeros molinos funcionaban con energía hidráulica , una vez que se adoptaron las máquinas de vapor, el fabricante ya no necesitaba ubicar los molinos junto al agua corriente. La hilatura de algodón requería molinos cada vez más grandes para satisfacer la demanda, y esto llevó a los propietarios a exigir motores cada vez más potentes. Cuando la presión de la caldera superó los 60 psi, los motores compuestos lograron una ventaja termodinámica, pero fueron las ventajas mecánicas de la carrera más suave las que fueron el factor decisivo en la adopción de compuestos. En 1859, había 75.886 ihp (caballos de fuerza indicados ^[ihp] ) de motores en los molinos del área de Manchester, de los cuales 32.282 ihp eran proporcionados por compuestos, aunque solo 41.189 ihp se generaban a partir de calderas operadas a más de 60 psi. ^[22]

Para generalizar, entre 1860 y 1926 todos los molinos de Lancashire fueron accionados por motores de combustión interna. El último motor de combustión interna construido fue el de Buckley y Taylor para el molino Wye No.2, Shaw . Este motor era un motor de combustión interna de 2500 hp que impulsaba un volante de inercia de 24 pies y 90 toneladas, y funcionó hasta 1965. ^[23]

En el medio marino, la necesidad general era la de autonomía y un mayor alcance operativo, ya que los barcos tenían que transportar sus suministros de carbón. Por tanto, la antigua caldera de agua salada ya no era adecuada y tuvo que ser sustituida por un circuito cerrado de agua dulce con condensador. El resultado a partir de 1880 fue el motor de expansión múltiple con tres o cuatro etapas de expansión ( motores de triple y cuádruple expansión ). Estos motores utilizaban una serie de cilindros de doble efecto de diámetro y/o carrera (y, por tanto, volumen) progresivamente crecientes diseñados para dividir el trabajo en tres o cuatro porciones iguales, según fuera apropiado, para cada etapa de expansión. Cuando el espacio es limitado, se podían utilizar dos cilindros más pequeños de un gran volumen total para la etapa de baja presión. Los motores de expansión múltiple normalmente tenían los cilindros dispuestos en línea, pero se utilizaron otras formaciones. A finales del siglo XIX, el "sistema" de equilibrado Yarrow-Schlick-Tweedy se utilizó en algunos motores marinos de triple expansión. Los motores YST dividían las etapas de expansión de baja presión entre dos cilindros, uno en cada extremo del motor. Esto permitía equilibrar mejor el cigüeñal, lo que daba como resultado un motor más suave, de respuesta más rápida y con menos vibraciones. Esto hizo que el motor de triple expansión de 4 cilindros fuera popular en los grandes transatlánticos de pasajeros (como la clase Olympic ), pero finalmente fue reemplazado por la turbina de vapor, prácticamente sin vibraciones .

El desarrollo de este tipo de motor fue importante para su uso en los barcos de vapor, ya que al descargar en un condensador el agua podía recuperarse para alimentar la caldera, que no podía utilizar agua de mar . Los motores de vapor terrestres podían simplemente descargar gran parte de su vapor, ya que el agua de alimentación generalmente estaba fácilmente disponible. Antes y durante la Segunda Guerra Mundial , el motor de expansión dominó las aplicaciones marinas donde la alta velocidad del barco no era esencial. Fue reemplazado por la turbina de vapor cuando se requería velocidad, como en los buques de guerra y los transatlánticos . El HMS Dreadnought de 1905 fue el primer buque de guerra importante en reemplazar la tecnología probada del motor alternativo con la entonces novedosa turbina de vapor.

Para aplicaciones en locomotoras ferroviarias, el principal beneficio buscado con el compuesto era el ahorro en el consumo de combustible y agua, además de una alta relación potencia/peso debido a que la caída de temperatura y presión tenía lugar durante un ciclo más largo, lo que resultaba en una mayor eficiencia; otras ventajas percibidas incluían un par más uniforme.

Aunque los diseños de locomotoras compuestas pueden remontarse a la patente de James Samuel de 1856 para una "locomotora de expansión continua", ^[24] la historia práctica de la locomotora compuesta ferroviaria comienza con los diseños de Anatole Mallet en la década de 1870. Las locomotoras Mallet funcionaron en los Estados Unidos hasta el final de la línea principal de vapor por el Norfolk and Western Railway . Los diseños de Alfred George de Glehn en Francia también tuvieron un uso significativo, especialmente en las reconstrucciones de André Chapelon . Se intentó una amplia variedad de diseños compuestos alrededor de 1900, pero la mayoría tuvieron una popularidad de corta duración, debido a su complejidad y responsabilidad de mantenimiento. En el siglo XX, el sobrecalentador fue ampliamente adoptado, y la gran mayoría de las locomotoras de vapor eran de expansión simple (con algunas locomotoras compuestas convertidas a simples). Los ingenieros se dieron cuenta de que las locomotoras a velocidad constante funcionaban de manera más eficiente con un regulador completamente abierto y un corte temprano, este último se configuraba a través del engranaje inversor. Una locomotora que funciona con un corte de vapor muy temprano (por ejemplo, al 15 % de la carrera del pistón) permite una expansión máxima del vapor, con menos desperdicio de energía al final de la carrera. El sobrecalentamiento elimina la condensación y la rápida pérdida de presión que de otro modo se producirían con dicha expansión.

Las grandes locomotoras estadounidenses utilizaban dos compresores de aire accionados por vapor de combinación cruzada, por ejemplo el Westinghouse 8 1/2" 150-D, ^[25] para los frenos del tren.

La presentación sigue el libro de texto de Sommerfeld, que contiene un diagrama (Figura 17) que no se reproduce por razones de derechos de autor. ^[26]

Consideremos un motor de 4 cilindros en un barco. Sea x la dirección vertical, z la dirección de proa a popa e y la dirección de babor a estribor. Supongamos que los 4 cilindros están montados en fila a lo largo del eje z, de modo que sus pistones apunten hacia abajo. Los pistones están conectados al mismo cigüeñal a través de largas varillas verticales. Ahora, establezcamos las magnitudes fundamentales del motor:

• Sean las masas efectivas del sistema compuesto pistón-vástago de cada cilindro.${\displaystyle M_{1},M_{2},M_{3},M_{4}}$
• Sea el cilindro 2 separado del cilindro 1 por una distancia de a lo largo del eje z, y de manera similar para .$estilo de visualización a_{2}$$Estilo de visualización a_{3},a_{4}$
• Sea la longitud de cada varilla del cilindro.${\ Displaystyle l_ {1}, l_ {2}, l_ {3}, l_ {4}}$
• Sean los radios del conector del cigüeñal de cada cilindro.${\displaystyle r_{1},r_{2},r_{3},r_{4}}$
• Sea el ángulo del conector del cigüeñal de cada cilindro.${\displaystyle \phi _{1},\phi _{2},\phi _{3},\phi _{4}}$
• Dado que el cigüeñal gira en tándem mediante todos los cilindros, es una constante para cada uno de .${\displaystyle \phi _{i}-\phi _{1}}$${\displaystyle \alpha _{i}}$${\displaystyle i=2,3,4}$

Ahora, cuando el motor está en funcionamiento, la posición vertical del cilindro es igual a . Por trigonometría, tenemos${\estilo de visualización i}$$Estilo de visualización x_{i}}$

$${\displaystyle x_{i}=r_{i}\cos \phi _{i}+{\sqrt {l_{i}^{2}(r_{i}\sin \phi _{i})^{2}}}=l_{1}+r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{l_{i}}}(1-\cos(2\phi _{i}))/2+O(r_{i}^{3}/l^{2})}$$

A medida que cada cilindro se mueve hacia arriba y hacia abajo, ejerce una fuerza vertical sobre su marco de montaje igual a . El sistema YST tiene como objetivo asegurarse de que la suma de las 4 fuerzas se cancele de la forma más exacta posible. En concreto, tiene como objetivo asegurarse de que la fuerza total (a lo largo del eje x) y el par total (alrededor del eje y) sean ambos cero:${\displaystyle M_{i}{\ddot {x}}_{i}}$

$${\displaystyle \sum _{i=1}^{4}M_{i}{\ddot {x}}_{i}=0;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i }a_{i}{\ddot {x}}_{i}=0}$$

Esto se puede lograr si

$${\displaystyle \suma _{i=1}^{4}M_{i}x_{i}=Const;\quad \suma _{i=2}^{4}M_{i}a_{i}x_{i}=Const}$$

Ahora, introduciendo las ecuaciones, encontramos que significa (hasta el segundo orden)

$${\displaystyle \sum _{i=1}^{4}M_{i}(r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{2l_{i}}}\cos(2\phi _{i}))=0;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i}a_{i}(r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{2l_{i}}}\cos(2\phi _{i}))=0}$$

Si introducimos , y desarrollamos las funciones coseno, vemos que, con un valor arbitrario, los factores de deben desaparecer por separado. Esto nos da 8 ecuaciones para resolver, lo que, en general, es posible si hay al menos 8 variables del sistema que podemos variar.${\displaystyle \phi _{i}=\phi _{1}+\alpha _{i}}$$estilo de visualización {\phi _{1}}$${\displaystyle \sin(\phi _{1}),\cos(\phi _{1}),\sin(2\phi _{1}),\cos(2\phi _{1})}$

De las variables del sistema, están fijadas por el diseño de los cilindros. Además, los valores absolutos de no importan, solo importan sus proporciones. En conjunto, esto nos da 9 variables para variar: .${\displaystyle M_{i},r_{i}}$${\displaystyle a_{2},a_{3},a_{4}}$${\displaystyle l_{1},l_{2},l_{3},l_{4},{\frac {a_{3}}{a_{2}}},{\frac {a_{4}}{ a_ {2}}}, \ alpha _ {2}, \ alpha _ {3}, \ alpha _ {4}}$

El sistema YST requiere al menos 4 cilindros. Con 3 cilindros, la misma derivación nos da sólo 6 variables para variar, lo cual es insuficiente para resolver las 8 ecuaciones.

El sistema YST se utiliza en barcos como el SS Kaiser Wilhelm der Grosse y el SS Deutschland (1900) . ^[27]

^  Desfase de cilindros:   En los compuestos de dos cilindros utilizados en trabajos ferroviarios, los pistones están conectados a las manivelas como en un dos cilindros simple, desfasados ​​90° entre sí ( cuarteados ).

Cuando se duplica el grupo de doble expansión, lo que produce un compuesto de 4 cilindros, los pistones individuales dentro del grupo suelen estar equilibrados a 180°, y los grupos se colocan a 90° entre sí. En un caso (el primer tipo de compuesto Vauclain ), los pistones funcionaban en la misma fase impulsando una cruceta y un cigüeñal comunes, nuevamente ajustados a 90° como en un motor de dos cilindros.

Con la disposición compuesta de 3 cilindros, las bielas LP se ajustaron a 90° y la HP a 135° con respecto a las otras dos, o en algunos casos las tres bielas se ajustaron a 120°.

^  ihp:   La potencia de un motor de molino se medía originalmente en caballos de fuerza nominales , pero este sistema subestimaba la potencia de un motor compuesto . Sistema McNaught adecuado para motores compuestos, ihp o caballos de fuerza indicados. Como regla general, ihp es 2,6 veces nhp en un motor compuesto. ^[28]

• Turbina compuesta
• Motor Willans

• Gurr, Duncan; Hunt, Julian (1998), Las fábricas de algodón de Oldham, Oldham Education & Leisure, ISBN 0-902809-46-6, archivado desde el original el 18 de julio de 2011 , consultado el 11 de octubre de 2009
• Nasmith, Joseph (1895), Construcción e ingeniería de fábricas de algodón recientes, Londres: John Heywood, pág. 284, ISBN 1-4021-4558-6
• Roberts, AS (1921), "Arthur Robert's Engine List", Arthur Roberts Black Book. , Un tipo de Barlick-Book Transcription, archivado desde el original el 23 de julio de 2011 , consultado el 11 de enero de 2009
• Williams, Mike; Farnie (1992), Fábricas de algodón del Gran Manchester , Carnegie Publishing, ISBN 0-948789-89-1
• Holst, CP (1926), El equilibrio de las máquinas de vapor de cigüeñal múltiple , Brill, Leiden Publishing, OCLC  494164185

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• Sociedad de Motores de Molino del Norte en el Museo de Vapor de Bolton