Máquina de vapor Corliss

Una máquina de vapor Corliss (o máquina Corliss ) es una máquina de vapor equipada con válvulas rotativas y distribución variable , patentada en 1849. Fue inventada por el ingeniero estadounidense George Henry Corliss, originario de Providence, Rhode Island , y recibió su nombre en su honor . Corliss se atribuyó la invención original a Frederick Ellsworth Sickels (1819-1895), quien poseía la patente (1829) en la oficina de patentes de Estados Unidos.

Los motores equipados con el mecanismo de distribución Corliss ofrecían la mejor eficiencia térmica de cualquier tipo de máquina de vapor estacionaria hasta el perfeccionamiento de la máquina de vapor de flujo unidireccional y la turbina de vapor en el siglo XX. Los motores Corliss eran generalmente un 30 % más eficientes en el consumo de combustible que las máquinas de vapor convencionales con corte fijo. ^{[ 1 ]} Esta mayor eficiencia hizo que la energía de vapor fuera más económica que la energía hidráulica, lo que permitió el desarrollo industrial lejos de los estanques de molino. ^{[ 2 ]}

Los motores Corliss se utilizaban normalmente como motores estacionarios para proporcionar energía mecánica a los ejes de transmisión en fábricas y molinos, y para accionar dinamos que generaban electricidad. Muchos eran bastante grandes, alcanzando varios metros de altura y desarrollando varios cientos de caballos de fuerza , aunque a baja velocidad, haciendo girar enormes volantes de inercia que pesaban varias toneladas a unas 100 revoluciones por minuto. Algunos de estos motores desempeñan funciones inusuales como sistemas mecánicos heredados y, debido a su eficiencia relativamente alta y sus bajos requisitos de mantenimiento, algunos siguen en funcionamiento a principios del siglo XXI. Véanse, por ejemplo, los motores de la cervecería Hook Norton y la destilería Dillon en la lista de motores en funcionamiento.

Los motores Corliss tienen cuatro válvulas por cilindro, con válvulas de vapor y de escape ubicadas en cada extremo. Estos motores incorporan mejoras distintivas tanto en las válvulas mismas como en el mecanismo de distribución , es decir, el sistema de varillaje que acciona las válvulas.

El uso de válvulas separadas para la admisión y el escape de vapor implica que ni las válvulas ni los conductos de vapor entre los cilindros y las válvulas necesitan variar de temperatura durante el ciclo de potencia y escape, y permite controlar de forma independiente la sincronización de las válvulas de admisión y escape. En cambio, las máquinas de vapor convencionales cuentan con una válvula de corredera o de pistón que alimenta y descarga alternativamente a través de conductos hacia cada extremo del cilindro. Estos conductos están expuestos a grandes fluctuaciones de temperatura durante el funcionamiento del motor, y se generan elevados gradientes de temperatura dentro del mecanismo de válvulas.

Clark (1891) comentó que el mecanismo de Corliss "es esencialmente una combinación de elementos previamente conocidos y utilizados por separado, que afectan al cilindro y al mecanismo de distribución". ^{[ 3 ]} Los orígenes del mecanismo de Corliss con respecto a los mecanismos de distribución de vapor anteriores fueron rastreados por Inglis (1868). ^{[ 4 ]}

Engranaje de válvulas Corliss

George Corliss recibió la patente estadounidense n.º 6162 para su mecanismo 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 sola excéntrica a las cuatro válvulas del motor, y también cubría el uso de válvulas de disparo con corte variable bajo control de regulador 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 cilindros vertical y utilizaba válvulas de corredera individuales para la admisión y el escape en cada extremo del cilindro.

Las válvulas de admisión se abren mediante un trinquete accionado por una excéntrica ; cuando el trinquete se activa , 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 fuera el peso del pistón y la varilla del amortiguador lo que cerrara la válvula.

La velocidad de un motor Corliss se controla variando el corte del suministro de vapor durante cada carrera de potencia, manteniendo la mariposa completamente abierta en todo momento. Para ello, el regulador centrífugo está conectado a un par de levas, una para cada válvula de admisión. Estas levas determinan el punto de la carrera del pistón en el que se libera el trinquete, permitiendo el cierre de la válvula.

Como en todas las máquinas de vapor donde se puede regular el corte, la ventaja de hacerlo radica en que la mayor parte de la carrera de potencia se genera por la expansión del vapor en el cilindro después de que la válvula de admisión se haya cerrado. Esto se aproxima mucho más al ciclo de Carnot ideal que lo que es posible con una máquina donde la válvula de admisión permanece abierta durante toda la carrera de potencia y la velocidad se regula mediante una válvula de mariposa .

El sistema de distribución de válvulas Corliss permitía una velocidad más uniforme y una mejor respuesta a los cambios de carga, lo que lo hacía adecuado para aplicaciones como laminadoras e hilanderías, y ampliaba enormemente su uso en la fabricación. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Válvulas Corliss

Las válvulas Corliss se abren directamente al cilindro. Estas válvulas conectan el cilindro a cámaras de vapor y escape separadas . Inicialmente, Corliss utilizó válvulas de corredera con actuadores lineales, pero en 1851, cambió a actuadores de válvula semirrotativos, como se documenta en la patente estadounidense 8253. ^{[ 8 ]} En este motor, la placa del pistón se movió al centro del lado del cilindro, como en los motores Corliss posteriores. Sin embargo, seguía siendo un motor de balancín , y los actuadores de válvula semirrotativos accionaban válvulas de corredera lineales dentro de las cuatro cámaras de válvulas del motor.

Las válvulas Corliss tienen forma de un pequeño segmento circular que gira dentro de una cara cilíndrica. Su mecanismo de accionamiento está descentrado respecto al eje de la válvula, por lo que presentan un espacio muerto mínimo, a diferencia del vástago de una válvula de asiento , y toda la superficie del puerto puede utilizarse eficazmente para el flujo de gas.

Dado que la superficie de una válvula Corliss es pequeña en comparación con la del orificio, el flujo de gas genera un par relativamente bajo en el eje de la válvula, en comparación con otros tipos de válvulas. Estas ventajas han propiciado que la válvula Corliss se utilice en otras aplicaciones, además de en máquinas de vapor con mecanismo Corliss.

El motor aeronáutico Rolls-Royce Merlin utilizaba una válvula de mariposa rectangular como acelerador. Las fuerzas del flujo de gas que actuaban asimétricamente sobre esta mariposa podían provocar un control deficiente de la potencia en determinadas circunstancias. Los modelos posteriores, a partir del 134, emplearon una válvula de mariposa Corliss para evitar este problema. ^{[ 9 ]}

La 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 compañía. En 1846, pasó a llamarse Bancroft, Nightingale & Co. cuando George H. Corliss se unió a la compañía, y en 1847 volvió a llamarse Corliss, Nightingale and Co. En 1848, la compañía se trasladó al cruce ferroviario de Charles Street en Providence, Rhode Island .

En 1857, la empresa cambió su nombre por última vez a Corliss Steam Engine Company. En 1864, Corliss compró la participación de sus socios y se convirtió en el único propietario de la empresa.

Para 1859, todas las características clave de lo que hoy conocemos como el motor Corliss ya estaban presentes. Las patentes otorgadas a Corliss y a otros incorporaban válvulas rotativas y cigüeñales alineados con los cilindros. Véase, por ejemplo, la patente estadounidense n.° 24.618 de Corliss, otorgada el 5 de julio de 1859. ^{[ 15 ]} Los inventores de la competencia trabajaron arduamente para inventar alternativas a los mecanismos de Corliss; generalmente evitaron el uso de una placa de muñeca por parte de Corliss y adoptaron mecanismos de liberación alternativos para las válvulas de vapor, como en la patente estadounidense n.° 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 mediante la reedición de la patente estadounidense 200 del 13 de mayo de 1851 y las reediciones de la patente estadounidense 758 y 763 del 12 de julio de 1859. B. Hick and Son fue la primera en introducir el motor Corliss en el Reino Unido alrededor de 1864. Después de 1870, numerosas otras compañías comenzaron a fabricar motores Corliss. Entre ellas, la William A. Harris Steam Engine Company, ^{[ 17 ]} la Worthington Pump and Machinery Company , ^{[ 18 ]} y Allis-Chalmers . ^{[ 19 ]} En general, estas máquinas se denominaban motores Corliss independientemente de quién las fabricara.

En 1895 la empresa cerró bajo la carga de una deuda de 800.000 dólares, y en 1900 fue vendida a International Power Company, controlada por el industrial Joseph H. Hoadley . ^{[ 20 ]} En 1905 fue transferida a otra empresa de Hoadley, la American & British Manufacturing Corporation .

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.

A partir de 2024Hay aproximadamente seis motores con los mecanismos de válvula deslizante originales que aún existen, incluyendo uno en 7 South Stone Mill Drive a lo largo de Mother Brook en Dedham, Massachusetts . ^{[ 21 ]}

La máquina Corliss Centennial Engine era una máquina de vapor rotativa , construida especialmente para la ocasión, que alimentaba prácticamente todas las exhibiciones de la Exposición del Centenario de los Estados Unidos en Filadelfia en 1876 mediante ejes que sumaban más de una milla de longitud. Encendida por el presidente Ulysses S. Grant y el emperador Pedro II de Brasil , la máquina estuvo a la vista del público durante toda la feria.

El motor estaba configurado con dos cilindros uno al lado del otro. Cada cilindro tenía un diámetro de 44 pulgadas (112 cm) con una carrera de 10 pies (3,0 m) . El Motor del Centenario medía 45 pies (14 m) de altura, tenía un volante de 30 pies (9,1 m) de diámetro y producía 1400 caballos de fuerza (1000 kW) . Después de la feria, fue desmontado y enviado de vuelta a la planta de Corliss en Providence. Siete años después, fue vendido y alimentó una fábrica de Chicago propiedad de George Pullman hasta 1910, ^{[ 22 ]} cuando fue vendido como chatarra. ^{[ 23 ]}     

Este motor se convirtió en un ícono cultural, tanto que para muchos historiadores modernos el término Motor Corliss (o Máquina de Vapor Corliss ) se refiere a este motor específico y no a la amplia clase de motores equipados con el mecanismo de distribución Corliss. ^{[ 24 ]}

• William Wright (ingeniero)

• La revista Popular Mechanics Monthly de abril de 1907 comentó en la página 416, cerca de la parte inferior derecha de la página, que se puede hacer que el motor Corliss realice más trabajo aumentando la presión de la caldera, incrementando la velocidad o reduciendo el número de vueltas de las válvulas de vapor.

• Capítulo 14 de la Guía para ingenieros y mecánicos de Audel, por Frank D. Graham .
• Historia de Corliss del Museo de Radio y Vapor de Nueva Inglaterra .
• Información básica sobre la máquina de vapor Corliss, extraída de las páginas web de conservación de máquinas de vapor estacionarias de Camp Creek Threshers .
• Imágenes de la locomotora del centenario de Corliss Steam Engine Co. en el sitio web del Museo de Vapor y Radiocomunicaciones de Nueva Inglaterra .
• Parque Denton Farm, Denton, Carolina del Norte
• SUPLEMENTO CIENTÍFICO AMERICANO N.° 286 NUEVA YORK, 25 DE JUNIO DE 1881: Motor Corliss de 1000 hp. El motor Saltaire, un motor de Hick Hargreaves con ilustraciones.