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Articulo de referencia

Biela de retorno del motor

La máquina estacionaria de Trevithick de 1806. Una biela de retorno , [ 1 ] [ 2 ] biela de pistón de retorno {{Cite book\n |title=Warrior to Dreadnought\n |last=Brown |first=Dav...

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La máquina estacionaria de Trevithick de 1806.

Una biela de retorno , [ 1 ] [ 2 ] biela de pistón de retorno [ i ] o (en jerga marina) motor de doble biela de pistón [ 2 ] o motor de acción inversa es una disposición particular para una máquina de vapor .

La característica principal de este diseño es que la biela sale del cilindro hacia la cruceta , pero luego invierte su dirección y regresa al cigüeñal . Este diseño es compacto, pero presenta desventajas mecánicas. Por lo tanto, los motores con biela de retorno se usaban raramente, excepto en algunas aplicaciones marinas de mediados del siglo XIX, donde ofrecían ciertas ventajas.

La disposición de la biela de retorno tiene dos formas posibles:

  • El cilindro se encuentra entre la cruceta y el cigüeñal. Esto requiere bielas largas. Para evitar fuerzas desequilibradas en la cruceta, estas bielas suelen ir emparejadas y se extienden a ambos lados del cilindro.
  • El cigüeñal se encuentra entre la cruceta y el cilindro. Esto requiere una biela o horquilla que la acompañe, para que pueda rodear el cigüeñal.

Tanto las configuraciones horizontales como las verticales han utilizado la disposición de biela de retorno. Los motores verticales con biela de retorno utilizaban la disposición "vertical" original, con el cilindro orientado hacia arriba, hacia la cruceta. [ ii ]

Máquinas de mesa y campanario

Modelo de motor de mesa, que muestra la biela bifurcada.

Los motores de "mesa" y de "aguja" son motores estacionarios verticales con bielas de retorno.

Máquinas de mesa

Los motores de mesa colocan el cilindro encima y entre el cigüeñal y la cruceta. Maudslay los fabricó a gran escala a partir de 1805 aproximadamente y se utilizaban para suministrar energía a pequeños talleres de ingeniería. Eran especialmente populares para accionar ejes de transmisión , ya que podían funcionar a mayor velocidad que los motores de balancín.

Al igual que las máquinas de vapor de balancín más pequeñas , una ventaja de las máquinas de mesa de Maudslay era que podían fabricarse en fábricas como una unidad completa. Esto incluía su gran placa base o mesa de hierro fundido . A diferencia de las máquinas horizontales y las máquinas de balancín construidas en talleres , no requerían la construcción de una gran base de mampostería cuidadosamente alineada en el emplazamiento de la máquina. Además, las máquinas podían fabricarse con antelación y venderse listas para usar. Si bien esto suponía un ahorro de costes, resultaba beneficioso principalmente porque era más rápido que encargar la construcción de una máquina y su correspondiente sala de máquinas.

Motores de campanario

Motor de campanario

Los motores de tipo "steeple" colocan el cigüeñal sobre el cilindro, entre este y la cruceta. Utilizan bielas dobles, dos o incluso cuatro, que conectan el pistón con la cruceta para evitar el cigüeñal. Otro diseño empleaba una horquilla triangular en la biela, permitiendo que el cigüeñal la atravesara. [ 4 ]

Los motores de torre se usaban principalmente como motores marinos. [ 1 ] [ 5 ] Algunos barcos de vapor estadounidenses con ruedas de paletas tenían torres especialmente grandes que se elevaban sobre su caseta de cubierta.

El término «máquina de campanario» también se utilizó más tarde para referirse a las máquinas de vapor compuestas en tándem verticales invertidas , debido a su gran altura. [ iii ] Estas no eran máquinas de biela de retorno.

locomotoras

Elefante de vapor (réplica)

Los primeros motores de alta presión de Trevithick , desde 1801 en adelante, incluyendo sus locomotoras, utilizaban la configuración de biela-manivela tanto en disposición horizontal como vertical. Los cilindros estaban integrados en la caldera para evitar la pérdida de calor, y la caldera, de corta longitud, también formaba el bastidor del motor. Esto hacía que la biela-manivela fuera una configuración natural, con el cigüeñal en el extremo opuesto de la caldera con respecto a la cruceta. Las bielas dobles eran componentes relativamente sencillos, a pesar de que se requerían dos. Dado que también permitían que el cigüeñal utilizara dos manivelas simples en voladizo en los extremos del eje, en lugar de un complejo cigüeñal forjado con una manivela interna, esta simplificación también resultó muy valiosa.

Otras locomotoras de vapor tempranas , como la Salamanca de Murray (1812) y la Blücher (1815) y la Locomotion (1825) de George Stephenson, también utilizaban motores de biela con retorno. Todas ellas tenían pesados ​​cilindros verticales dispuestos en tándem dentro del cuerpo de la caldera, que se accionaban mediante crucetas transversales situadas sobre la locomotora, sostenidas por bielas oscilantes. La complejidad de este movimiento hizo que los maquinistas lo denominaran «el tejido» . La biela oscilante era más sencilla que el movimiento paralelo anterior de Watt y no obligaba a la cruceta a moverse en una línea recta tan precisa. Sin embargo, la mayor longitud de las bielas en un motor de biela con retorno, en relación con la carrera del pistón, hacía que este efecto de angulación fuera menos grave. La Steam Elephant, en cambio, utilizaba un sistema rudimentario de barras deslizantes para soportar la cruceta.

El uso de una biela de retorno conectada a un eje situado debajo de la caldera, con manivelas en voladizo, también evitó la necesidad de una manivela interna. En los diseños de Stephenson, este eje de manivela también habría soportado el peso de la locomotora, en lugar de ser simplemente un cigüeñal, lo que evitó un trabajo de forja particularmente complejo.

Una de las últimas locomotoras en utilizar bielas de retorno fue la Novelty de Ericsson y Braithwaite en las pruebas de Rainhill .

Abandono de los diseños de biela de retorno

La locomotora Puffing Billy de Hedley , contemporánea de la Blücher , prescindió de la biela de retorno en favor de una viga de balancín . Los cilindros se montaron uno al lado del otro, pero seguían siendo grandes, pesados ​​y formaban parte integral de la caldera. Aunque una locomotora de balancín tiene una disposición similar a una de biela de retorno, en la que el vástago del pistón apunta en una dirección y la biela se extiende hacia atrás desde esta, las locomotoras de balancín no se consideran locomotoras de biela de retorno. La locomotora Royal George del gerente de Stephenson, Hackworth, invirtió el diseño, colocando los cilindros, aún verticales, orientados hacia abajo directamente sobre el cigüeñal. Para la época de la Rocket de Stephenson , especialmente a medida que las nuevas locomotoras con caldera de tubos de fuego se volvían más ligeras y rápidas, se reconoció que los cilindros verticales causaban golpes de martillo en los endebles raíles de la época. La Rocket se construyó con los cilindros inclinados a 45°, pero pronto se reconstruyó para colocarlos casi horizontalmente. Desde entonces, casi todas las locomotoras de vapor han tenido sus cilindros colocados casi horizontalmente.

Máquinas de vapor marinas

Barcos de paletas

Máquina de cruceta ("cuadrada") del barco de vapor PS Belle del río Hudson

Las primeras máquinas de vapor marinas impulsaban ruedas de paletas . Las paletas requieren un eje relativamente alto, que a menudo también forma el cigüeñal. Para mayor estabilidad, el peso principal de la máquina, es decir, su cilindro, se monta en la parte inferior. Las máquinas posteriores impulsaban hélices de una sola hélice. Estas requerían ahora un accionamiento montado en la parte inferior, pero aún se beneficiaban del efecto de estabilidad de un motor de baja altura. Estas primeras máquinas, limitadas por la tecnología de la época, funcionaban a bajas presiones de caldera y bajas velocidades de pistón. Junto con la corta carrera del pistón, limitada por la falta de espacio para la máquina, [ iv ] estas primeras máquinas requerían cilindros de gran diámetro para desarrollar suficiente potencia.

Motores de cruceta

Los motores de cruceta, de doble cruceta [ 1 ] o de sección cuadrada eran motores verticales análogos en disposición al motor de mesa, con su cilindro sobre el cigüeñal. La cruceta debía ser muy ancha para permitir que las bielas pasaran a ambos lados del gran cilindro, lo que a su vez requería un gran bastidor de soporte para las barras deslizantes. Eran populares en los primeros barcos fluviales estadounidenses y sus grandes soportes de madera en forma de A eran una característica distintiva. [ 6 ] Los motores más grandes se volvieron inestables y, por lo tanto, el diseño fue reemplazado por motores de balancín o de brazo oscilante .

Motores de campanario

La práctica europea, particularmente en el Clyde , favoreció la máquina de vapor de torre de Napier en lugar de la máquina de cilindro cuadrado. Estas eran más complejas de construir y requerían más hierro, pero colocaban el cilindro debajo del cigüeñal, lo que las hacía más estables en un casco estrecho. Ninguna de las dos formas era popular para los buques de alta mar. [ 1 ] [ 4 ] [ 5 ]

propulsión por hélice

En la práctica marina , el motor de biela de retorno para propulsión por hélice se denominaba motor de acción inversa [ 1 ] (jerga estadounidense) o motor de doble pistón [ 2 ] .

Motores de maletero

John Penn patentó el motor de tronera en 1848. Este diseño permitía un motor particularmente corto (medido en la dirección de su vástago del pistón), capaz de soportar un pistón de gran diámetro. [ v ] Se montaban transversalmente, generalmente como motores de dos cilindros, y se utilizaban en buques de guerra con una potencia instalada relativamente alta. Un motor de tronera logra su corta longitud gracias a un vástago de pistón hueco de gran diámetro o «tronca». El pasador del pistón de la biela se monta dentro de esta caña, lo que permite que la longitud total de los dos componentes principales, el vástago del pistón y la biela, se acoplen telescópicamente. Dado que la caña debe ser lo suficientemente grande para permitir la angulación de la biela al girar la manivela, este diseño se limita a motores de gran diámetro. También se observó que, a medida que aumentaba la presión de la caldera, el sello de gran diámetro alrededor de la caña era cada vez más propenso a las fugas. [ 7 ]

Motores de doble biela

Motor de doble pistón y biela del HMS Agincourt (1865),   propulsado por hélice. El cilindro y el pistón están a la derecha, el condensador y la bomba de aire a la izquierda.

El motor de tronco fue reemplazado en gran medida por el motor de doble biela . [ 2 ] [ 8 ] Este era un motor de biela de retorno, con el cigüeñal entre la cruceta y el cilindro. Se utilizaban cuatro bielas para rodear el cigüeñal, tanto por encima como por debajo, y también a cada lado de la manivela, ya que la carrera de la manivela era más ancha que el espaciado vertical de las bielas. Como la mayoría de estos motores eran de doble expansión en paralelo, se tomaban dos bielas de cada uno de los pistones de alta y baja presión. En algunos motores, se utilizaban bielas dobles del cilindro grande de baja presión y una sola biela del cilindro de alta presión, con una horquilla para rodear el cigüeñal. [ 9 ] También se podían utilizar bielas dobles en un motor simple, pero estos requerían un pasador de pistón en voladizo en la cruceta, por lo que tendían a limitarse a motores más pequeños. Una ventaja del motor de doble biela sobre el de tronco era que ambos extremos de la biela eran accesibles para el mantenimiento. Un factor aprendido del uso naval de cilindros horizontales fue que, a pesar de los temores previos, había poco desgaste adicional debido al peso del pistón que descansaba sobre el cilindro. [ 2 ]

Un comité del Almirantazgo de 1858 recomendó enfáticamente que se abandonaran los diseños de motores más antiguos en favor de la racionalización de solo tres diseños: el motor de biela de pistón simple (el tipo más reconocible en la actualidad), el motor de tronera y el de biela de pistón doble. [ 10 ]

Una variante posterior del motor de tronco retomó la disposición de la biela de retorno como motor de palanca vibratoria o de medio tronco . Se trataba de un motor doble con dos motores de tronco de carrera corta orientados hacia afuera. Sus bielas, conectadas a los pistones, conducían a palancas vibratorias verticales que podían oscilar. Estas palancas hacían girar un eje corto con otras palancas, que a su vez impulsaban otro par de bielas y un cigüeñal central compartido. Estos complejos motores fueron inventados por el ingeniero sueco-estadounidense John Ericsson y tuvieron escaso uso fuera de estos dos países.

El motor siamés de Maudslay

Otras alternativas compactas a los motores de biela o de tronco fueron el motor siamés de Maudslay [ 11 ] y el raro motor de pistón anular . Al igual que el motor de tronco, estos colocaban el pasador del pistón dentro de la longitud de la carrera del pistón mediante un par de pistones y una cruceta en forma de T que podía reubicar el pasador del pistón detrás de su posición habitual.

constructores

Bombas y motores de soplado acoplados directamente

Motor de soplado vertical

Un motor soplador es un gran motor de vapor estacionario acoplado directamente a cilindros de bombeo de aire . Se utilizan para proporcionar el aire comprimido a altos hornos y otras fundiciones . Dado que tanto el cilindro de trabajo como la carga impulsada son pistones alternativos, pueden acoplarse directamente mediante su biela. La biela solo se utiliza para accionar un volante cuya inercia equilibra la carga durante el ciclo del motor, no como eje de salida. Estos motores fueron algunos de los últimos diseños de biela de retorno que se construyeron.

El gran motor de soplado vertical ilustrado fue construido en la década de 1890 por EP Allis Co. de Milwaukee (que más tarde formaría parte de Allis-Chalmers ). [ 12 ] El cilindro de bombeo de aire está encima del cilindro de potencia de vapor y la cruceta. La fuerza principal del pistón se transmite al cilindro de aire mediante un movimiento puramente alternativo, y los volantes están allí simplemente para suavizar el funcionamiento del motor. El eje del volante está montado debajo del pistón de vapor, y las bielas, que están emparejadas , impulsan el movimiento hacia abajo y hacia atrás.

Máquinas de bombeo similares también se utilizaban en las plantas potabilizadoras . Las máquinas verticales invertidas tenían el cilindro en la parte superior y las bombas de ariete en la base, o en un pozo debajo de ellas. Entre estas se disponía un cigüeñal y volantes para un funcionamiento más suave, en lugar de para generar potencia rotatoria. Estos eran accionados desde la horquilla inferior (de la bomba) mediante bielas cortas de retorno. Dos máquinas Worth McKenzie de este tipo, una de triple expansión de 1895 y una de doble expansión simple de 1906, se instalaron en el Museo de las Plantas Potabilizadoras de Hereford , Hereford , y se conservan allí en funcionamiento.

Notas

  1. ↑ 'Varilla de pistón de retorno' era un término utilizado por los constructores de motores navales Humphrys y Tennant . [ 3 ]
  2. Aunque poco común hoy en día, esta era la disposición original de todas las máquinas atmosféricas y de vapor. El cilindro se ubicaba directamente sobre la caldera. Incluso con el desarrollo de calderas separadas, se seguía considerando más sencillo, para facilitar el acceso, colocar el cilindro grande y pesado en la parte inferior y las bielas más ligeras en la parte superior. La configuración de motor vertical que se popularizó posteriormente, con el cilindro orientado hacia abajo, se denominó originalmente «vertical invertido».
  3. ↑ Un compresor compuesto en tándem coloca cilindros de alta y baja presión, a veces incluso un tercer cilindro de presión intermedia, en línea sobre el mismo vástago del pistón.
  4. ↑ Los barcos de vapor estadounidensesutilizaban máquinas horizontales longitudinales que permitían una carrera larga. Estas se desarrollaron como máquinas largas y de diámetro pequeño, con un diseño claramente diferente al de cualquier otra máquina marina. En contraste, los barcos de vapor estadounidenses con ruedas laterales preferían máquinas de vapor de balancín o de balancín verticales particularmente altas .
  5. ↑ Una teoría predominante en aquella época se centraba en los efectos del desgaste sobre los pistones de los motores horizontales, debido al peso del pistón. Por ello, los pistones contaban con un amplio soporte mediante sus bielas, en lugar de permitir que el peso recayera directamente sobre la pared del cilindro.

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 Rippon, PM (1998). La evolución de la ingeniería en la Marina Real . Vol.  1: 1827-1939. Spellmount. pág.  27. ISBN 0-946771-55-3.
  2. 1 2 3 4 5 Hills, Richard L. ( 1989). Energía a partir del vapor . Cambridge University Press . págs. 189 , 191. ISBN  0-521-45834-X.
  3. ↑ Brown, David K. (2010) [1997]. Warrior to Dreadnought . Seaforth. p. 13. ISBN  978-1-84832-086-4.
  4. 1 2 Luke Hebert , ed. (1849). The Steeple Engine . The Engineer's and Mechanic's Encyclopaedia . Vol. 2 (2.ª ed.). Thomas Kelly .  
  5. 1 2 Evers, Henry (1875). Vapor y la máquina de vapor: tierra y mar . Glasgow: Williams Collins. pág. 95. 
  6. ↑ Hilton, George W. (2002). Lake Michigan Passenger Steamers . Stanford University Press. p. 59. ISBN  978-0804742405.
  7. ↑ Seaton, AE (1888). Manual de ingeniería marina (7.ª ed.). Londres. pág. 9.  {{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  8. ↑ Sennett, Richard; Oram, Sir Henry J. (1918). La máquina de vapor marina . Londres: Longmans, Green & Co. pp. 7, 9. 
  9. ↑ "Motor de TV Emery Rice (1873)" (PDF) . Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos. Archivado del original (PDF) el 9 de diciembre de 2008.
  10. ↑ Smith, EC (1937). Breve historia de la ingeniería naval y marina . Cambridge. págs. 146–147 . {{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  11. ↑ Evers (1875) , pág. 96.
  12. ↑ Hawkins, Nehemiah (1897). Nuevo catecismo de la máquina de vapor . Nueva York: Theo Audel. págs. 335–337 .