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Las válvulas de pistón son un tipo de válvula que se utiliza para controlar el flujo de vapor dentro de una máquina de vapor o locomotora . Controlan la entrada de vapor a los cilindros y su posterior escape, lo que permite que la locomotora se mueva por sí misma. La válvula consta de dos cabezas de pistón montadas sobre un eje común que se mueven dentro de una caja de vapor, que es esencialmente un minicilindro ubicado encima o debajo de los cilindros principales de la locomotora.
Descripción general
En el siglo XIX, las locomotoras de vapor utilizaban válvulas de corredera para controlar el flujo de vapor hacia dentro y hacia fuera de los cilindros . En el siglo XX, las válvulas de corredera fueron reemplazadas gradualmente por válvulas de pistón, particularmente en las máquinas que utilizaban vapor sobrecalentado . Esto se debió a dos razones:
- Es difícil lubricar adecuadamente las válvulas de corredera en presencia de vapor sobrecalentado.
- Con las válvulas de pistón, los conductos de vapor pueden acortarse. Esto, especialmente siguiendo el trabajo de André Chapelon , reduce la resistencia al flujo de vapor y mejora la eficiencia.
Los mecanismos de distribución habituales para locomotoras, como los de Stephenson , Walschaerts y Baker , pueden utilizarse con válvulas de corredera o de pistón. Cuando se emplean válvulas de asiento , puede utilizarse un mecanismo diferente, como el de Caprotti , aunque Chapelon y otros fabricantes también utilizaron los mecanismos estándar mencionados anteriormente.
La mayoría de las válvulas de pistón son del tipo de "admisión interna", donde el vapor fresco se introduce desde la caldera a través del espacio entre las dos cabezas de pistón de la válvula, y el vapor de escape sale a través del espacio entre una cabeza de pistón y el extremo de la caja de vapor. La ventaja de esta disposición es que las fugas, a través del prensaestopas que sella la caja de vapor de la varilla de accionamiento del mecanismo de la válvula, son mucho menos problemáticas cuando el prensaestopas está sometido a baja presión de escape que a la presión máxima de la caldera. Sin embargo, algunas locomotoras, como la clase SR Merchant Navy de Bulleid , utilizaban la "admisión externa", donde ocurría lo contrario, en el caso de Bulleid debido a la inusual disposición del mecanismo de válvulas accionado por cadena.
Ejemplos
La máquina de extracción de la pendiente de Swannington en el ferrocarril de Leicester y Swannington , fabricada por The Horsely Coal & Iron Company en 1833, muestra un uso muy temprano de la válvula de pistón. [ 1 ] Las válvulas de pistón se habían utilizado uno o dos años antes en las máquinas horizontales fabricadas por Taylor & Martineau de Londres, pero no se generalizaron para máquinas estacionarias o locomotoras hasta finales del siglo XIX. [ 2 ]
Principios de diseño
Cuando está en movimiento, una locomotora de vapor requiere que el vapor entre en el cilindro en momentos precisos en relación con la posición del pistón. [ 3 ] Esto implica controlar la admisión y la salida de vapor hacia y desde los cilindros con una válvula vinculada al movimiento del pistón. [ 3 ]
Para la sincronización y el dimensionamiento de válvulas de corredera o de pistón, donde la válvula abre y cierra los puertos de vapor y escape, es necesario considerar el "lap" y el "adelantamiento".
Regazo
El solapamiento es la cantidad por la cual la válvula se superpone a cada puerto en la posición central de cada válvula. [ 3 ] Hay dos tipos diferentes de solapamiento.
El primer tipo es el solapamiento de vapor, que es la cantidad en la que la válvula se superpone al orificio de vapor en el lado de vapor vivo de la válvula de pistón o corredera (es decir, la distancia que la válvula necesita moverse para comenzar a descubrir el orificio). [ 3 ]
En segundo lugar, el solapamiento de escape, que es la cantidad en que la válvula se superpone al puerto de escape en el lado de escape del pistón o válvula deslizante. El solapamiento de escape se suele dar a las locomotoras de baja velocidad. [ 3 ] Esto se debe a que permite que el vapor permanezca en el cilindro durante el mayor tiempo posible antes de ser expulsado como escape, aumentando así la eficiencia. [ 3 ] Las locomotoras de maniobras solían estar equipadas con esta adición.
La holgura negativa de escape, también conocida como espacio libre de escape, es la cantidad que el puerto está abierto para el escape cuando la válvula está en la posición intermedia, y se utiliza en muchas locomotoras de alta velocidad para proporcionar un escape libre. [ 3 ] El cilindro a ambos lados del pistón está abierto para el escape al mismo tiempo cuando la válvula pasa por la posición intermedia, lo cual es solo momentáneo durante el funcionamiento. [ 3 ]
Dirigir
La apertura inicial es la cantidad que permanece abierta una lumbrera cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior o inferior. [ 3 ] En el caso de la lumbrera de vapor, esto permite la entrada de vapor para llenar el espacio libre entre el cilindro y el pistón y garantiza la máxima presión en el cilindro antes del inicio de la carrera. [ 3 ] Esto amortigua y ayuda a que la masa del pistón disminuya su velocidad y cambie de dirección. A bajas velocidades, la ausencia de apertura inicial es ideal. Para motores con pistones de 24 pulgadas o más, masas superiores a 5 kilos y presiones inferiores a 500 psi, la amortiguación resulta beneficiosa. La apertura inicial es necesaria en locomotoras diseñadas para altas velocidades. [ 3 ]
Cálculo de eventos de válvula
Teniendo en cuenta el solapamiento, el avance y el recorrido de la válvula, ¿en qué punto de la carrera del pistón se abre y se cierra la válvula para permitir la salida del vapor y del escape?
Calcular una respuesta exacta a esa pregunta antes de la llegada de las computadoras era demasiado complicado. La aproximación sencilla (utilizada en los diagramas de Zeuner y Realeaux ) consiste en suponer que tanto la válvula como el pistón tienen un movimiento sinusoidal (como ocurriría si la biela principal fuera infinitamente larga). Entonces, por ejemplo, para calcular el porcentaje de la carrera del pistón en el que se interrumpe la admisión de vapor:
- Calcula el ángulo cuyo coseno es el doble del ángulo de solapamiento dividido por el recorrido de la válvula.
- Calcula el ángulo cuyo coseno es el doble de (lapso más avance), dividido por el recorrido de la válvula.
Suma los dos ángulos y calcula el coseno de su suma; resta 1 a ese coseno y multiplica el resultado por -50.
Tal como fue construida, la locomotora 2-10-0 I1s de Pennsylvania tenía un solapamiento de 2 pulgadas, un avance de 1/4 de pulgada y un recorrido de válvula de 6 pulgadas en marcha completa. En marcha completa, los dos ángulos son 48,19 grados y 41,41 grados, y el corte máximo se produce al 49,65% de la carrera del pistón.
Véase también
Referencias
- ↑ Clinker, CR (1977) El ferrocarril Leicester & Swannington. Bristol: Avon Anglia Publications & Services. Reimpreso de las Transacciones de la Sociedad Arqueológica de Leicestershire, Volumen XXX, 1954.
- ↑ Placa informativa en la locomotora Swannington, Museo Nacional del Ferrocarril , York .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Garratt, C. y Wade-Matthews, M.: La enciclopedia definitiva del vapor y el ferrocarril (Londres: Hermes Publishing Company, Ltd., 1998) ISBN 1-84038-088-8
- Mecanismo de distribución de la locomotora
- Tecnologías de locomotoras de vapor
- válvulas del motor