Motor de haz

Una máquina de balancín es un tipo de máquina de vapor donde se utiliza una viga superior pivotante para aplicar la fuerza de un pistón vertical a una biela vertical . Esta configuración, con la máquina accionando directamente una bomba, fue utilizada por primera vez por Thomas Newcomen alrededor de 1705 para extraer agua de las minas de Cornualles . La eficiencia de las máquinas fue mejorada por ingenieros como James Watt , quien añadió un condensador independiente ; Jonathan Hornblower y Arthur Woolf , quienes combinaron los cilindros ; y William McNaught , quien ideó un método para combinar un motor existente. Las máquinas de balancín se utilizaron inicialmente para bombear agua de las minas o hacia los canales, pero también podían utilizarse para bombear agua y complementar el caudal de una rueda hidráulica que impulsaba un molino .

La máquina de vapor de balancín rotativa es un diseño posterior de máquina de balancín en el que la biela acciona un volante mediante una manivela (o, históricamente, mediante un engranaje solar y planetario ). Estas máquinas de balancín podían utilizarse para accionar directamente el eje de transmisión de un molino . También podían utilizarse para propulsar barcos de vapor .

Las primeras máquinas de vapor de balancín funcionaban con energía hidráulica y se utilizaban para bombear agua de las minas. Un ejemplo conservado puede verse en la mina de plomo Straitsteps en Wanlockhead , Escocia .

Las máquinas de vapor de balancín se utilizaron ampliamente para accionar las bombas del sistema de canales inglés cuando este se amplió mediante esclusas a principios de la Revolución Industrial , y también para drenar el agua de las minas en el mismo período, y como máquinas de extracción de agua .

La primera máquina de vapor de balancín fue desarrollada por Thomas Newcomen . Estrictamente hablando, no era una máquina de vapor propiamente dicha, ya que el vapor introducido debajo del pistón se condensaba para crear un vacío parcial, permitiendo así que la presión atmosférica empujara el pistón hacia abajo. Por ello, se la denominó máquina atmosférica. La máquina atmosférica de Newcomen fue adoptada por muchas minas en Cornualles y otros lugares, pero era relativamente ineficiente y consumía una gran cantidad de combustible. John Smeaton mejoró la máquina, pero James Watt resolvió las principales ineficiencias de la máquina de Newcomen en su máquina de vapor Watt mediante la adición de un condensador independiente, lo que permitía que el cilindro permaneciera caliente. Técnicamente, seguía siendo una máquina atmosférica hasta que (bajo patentes posteriores) Watt cerró la parte superior del cilindro, introduciendo vapor para empujar también el pistón hacia abajo. Esto la convirtió en una verdadera máquina de vapor y, posiblemente, lo confirma como el inventor de la máquina de vapor. También patentó el regulador centrífugo y el movimiento paralelo . Este último permitió la sustitución de las cadenas alrededor de un cabezal de arco y, por lo tanto, posibilitó su uso como máquina rotativa.

Sus patentes se mantuvieron vigentes hasta principios del siglo XIX, y algunos afirman que esto frenó el desarrollo. Sin embargo, en realidad, otros ya habían trabajado en el desarrollo, y al finalizar el período de patentes se produjo una explosión de nuevas ideas y mejoras. Las máquinas de haz de Watt se utilizaron comercialmente en cantidades mucho mayores y muchas continuaron funcionando durante 100 años o más.

Watt poseía patentes sobre aspectos clave del diseño de su máquina, pero su máquina rotativa también estaba limitada por la patente de James Pickard sobre la manivela simple. La máquina de vapor de balancín se perfeccionó y amplió considerablemente en las zonas ricas en estaño y cobre del suroeste de Inglaterra, lo que permitió el drenaje de las profundas minas existentes en la región. En consecuencia, las máquinas de vapor de balancín de Cornualles alcanzaron fama mundial, ya que siguen estando entre las más grandes jamás construidas.

Debido a la cantidad de patentes sobre diversas partes de los motores y las consecuencias de las infracciones de patentes, existen ejemplos de motores de vapor sin el nombre del fabricante en ninguna de las piezas ( Colección de máquinas de vapor de Hollycombe ).

En un motor de viga rotativa, el pistón está montado verticalmente y la biela impulsa la viga como antes. Una biela del otro extremo de la viga, en lugar de accionar la varilla de la bomba, ahora acciona un volante.

Los primeros motores Watt utilizaban el engranaje solar y planetario patentado por Watt , en lugar de una simple manivela, ya que el uso de esta última estaba protegido por una patente propiedad de James Pickard . Una vez que la patente expiró, la manivela simple se empleó universalmente. Una vez logrado el movimiento rotatorio, se podía acoplar una correa de transmisión junto al volante. Esta transmitía la potencia a otros ejes de transmisión y, a través de estas correas, se podía accionar una variedad de maquinaria estática, como trilladoras, molinos o fresadoras.

El proceso de expansión compuesta implica dos o más cilindros; el vapor a baja presión del primer cilindro, de alta presión, pasa al segundo cilindro, donde se expande aún más y proporciona mayor impulso. Este es el efecto compuesto; el vapor residual resultante puede producir trabajo adicional si luego se introduce en un condensador de la forma habitual. El primer experimento con expansión compuesta fue realizado por Jonathan Hornblower , quien patentó su invento en 1781. Su primer motor se instaló en la mina Tincroft, Cornualles. Tenía dos cilindros —uno de 21 pulgadas (0,53 m) de diámetro con una carrera de 6 pies (1,8 m) y otro de 27 pulgadas (0,69 m) de diámetro con una carrera de 8 pies (2,4 m) — colocados uno al lado del otro en un extremo de la viga. Los primeros motores mostraron poca mejora en el rendimiento: la presión del vapor era demasiado baja, las tuberías de interconexión eran de pequeño diámetro y el condensador era ineficaz. ^{[ 1 ]}      

En aquella época, las leyes de la termodinámica no se comprendían del todo, en particular el concepto de cero absoluto . Ingenieros como Arthur Woolf intentaban resolver un problema de ingeniería con un conocimiento imperfecto de la física. En concreto, su mecanismo de válvulas se activaba en la posición incorrecta de la carrera, lo que impedía una expansión adecuada del cilindro. En 1814 se fabricaron con éxito máquinas de vapor compuestas Woolf para la mina de cobre Wheal Abraham y la mina de estaño Wheal Vor . ^{[ 2 ]}

William McNaught patentó una máquina de vapor de balancín compuesto en 1845. En una máquina de balancín del diseño estándar de Boulton & Watt, colocó un cilindro de alta presión en el lado opuesto del balancín al cilindro simple existente, donde normalmente se instalaba la bomba de agua. Esto tuvo dos efectos importantes: redujo drásticamente la presión en el balancín y el tubo de vapor de conexión, al ser largo, actuó como un receptor expansivo , el elemento que faltaba en el diseño de Woolf. ^{[ 3 ]} Esta modificación podía hacerse retrospectivamente, y las máquinas así modificadas se denominaban "McNaughted". Las ventajas de una máquina de balancín compuesto no eran significativas a presiones inferiores a 60 libras por pulgada cuadrada (410 kPa) , pero se hicieron evidentes a más de 100 psi (690 kPa) .    

• Estación de bombeo Abbey ( Leicester , Inglaterra) : alberga cuatro máquinas de vapor de balancín rotativo compuesto Woolf construidas por Gimson and Company , Leicester. ^{[ 4 ]} 
• Museo del Vapor de Bolton ( Bolton , Inglaterra) : incluye varias máquinas de vapor de balancín que se utilizaban originalmente para accionar molinos. 
• Estación de bombeo de Claymills ( Burton upon Trent , Inglaterra) : cuatro máquinas de bombeo rotativas de viga compuesta Woolf; cinco calderas Lancashire; más de treinta máquinas auxiliares en el lugar, incluyendo la dinamo de vapor en funcionamiento más antigua del país. 
• Molino de Coldharbour ( Uffculme , Devon) – 1867. Máquina de vapor de balancín Kittoe and Brotherhood, además de una máquina de vapor de doble expansión Pollit & Wigzell de 300 hp. Funcionaba con vapor la mayoría de los días festivos, impulsando el sistema de poleas, junto con otras máquinas más pequeñas.  
• Bomba de balancín Coultershaw ( West Sussex , Inglaterra) : máquina de balancín hidráulica conservada de 1782. 
• Estación de bombeo de Crofton ( Great Bedwyn , Inglaterra) : dos máquinas, incluida la máquina 'Cornish' en funcionamiento más antigua del mundo, en su ubicación original (1812). 
• Estación de bombeo de Crossness ( Abbey Wood , Inglaterra) : conjunto de cuatro máquinas de vapor de balancín rotativas: los ejemplos en funcionamiento de mayor tamaño que se conservan. 
• Dalton Old Pump House ( Condado de Durham , Inglaterra) : un par de máquinas de bombeo no rotativas de Cornualles, conservadas de forma estática, que datan de 1879. 
• Máquina de Dogdyke ( Tattershall , Inglaterra) : máquina de drenaje y rueda de descarga , que funcionaba con vapor los fines de semana de verano. 
• Máquina Dundee Boulton and Watt (1801) de Douglasfield Bleachworks, ahora en exhibición en Verdant Works ^{[ 5 ]}
• La casa de máquinas de vapor de Eastney ( Portsmouth , Inglaterra) contiene dos máquinas de vapor rotativas para el bombeo de aguas residuales, que datan de 1887. 
• Elsecar Heritage Centre ( Elsecar , Inglaterra) : la única máquina de vapor Newcomen que se conserva (en el mundo) en su ubicación original (1795). 
• Máquina de vapor de Garlogie (Aberdeenshire) : máquina de Boulton y Watt , con viga de 1805. 
• Planta de tratamiento de agua de Goulburn ( Goulburn , Australia) : Máquina de vapor Appleby Bros (1883) de 120 hp en funcionamiento, todavía ubicada en el edificio original de la estación de bombeo.  
• Máquina de vapor de balancín de Grazebrook : una gran bomba de bombeo diseñada por Boulton & Watt con un diámetro de 42 pulgadas (1,1 m) que se exhibe de forma estática en la rotonda de Dartmouth en la A38(M) en Birmingham , Inglaterra. 
• Colección de máquinas de vapor de Hollycombe ( Liphook , Inglaterra) : un pequeño motor rotativo de combustión interna (de aproximadamente 5 caballos de fuerza) que data de alrededor de 1850 y se utilizaba para accionar maquinaria agrícola, con una rueda hidráulica acoplada para complementar la potencia. 
• Mina y máquina de vapor de Levant ( Trewellard , Inglaterra) : una máquina de vapor en funcionamiento en una propiedad del National Trust en el oeste de Cornualles, Inglaterra. 
• Máquina de vapor Markfield ( Tottenham , Inglaterra) : una máquina rotativa compuesta. 
• Casa de máquinas de Middleton Top, Middleton-by-Wirksworth , Derbyshire . La máquina de doble viga (construida en 1829) es la máquina de extracción de pistón más antigua del mundo que aún se conserva en su casa de máquinas original. ^{[ 6 ] [ 7 ]}
• Museo de Cruquius ( Cruquius , Países Bajos) : se cree que la máquina de vapor de ocho brazos de Cruquius es la máquina de vapor más grande jamás construida. 
• Máquina de vapor conmemorativa de Newcomen ( Dartmouth , Inglaterra) : data de alrededor de 1725. Se le añadió un mecanismo hidráulico con fines demostrativos. 
• Museo Industrial de Nottingham ( Nottingham , Inglaterra) – La Galería de Máquinas de Vapor alberga una impresionante máquina de vapor Basford, una de las dos construidas en 1858 por R&W Hawthorn en Newcastle upon Tyne . Se instaló en la estación de bombeo de Basford para elevar agua 34 metros (110 pies) desde la arenisca subyacente y abastecer de agua potable a la ciudad de Nottingham. La máquina fue reemplazada en 1965 y trasladada a la Galería de Máquinas de Vapor, construida expresamente para este fin, donde se puso en marcha por primera vez en 1975.   
• Máquina de Pinchbeck ( Spalding , Inglaterra) : máquina con bastidor en forma de 'A' conservada estáticamente. 
• Mina Poldark ( Trenear , Inglaterra) – Máquina de vapor de balancín Harvey's of Hayle procedente de la mina de estaño Bunny y, posteriormente, de la mina de caolín Greensplat, que data de alrededor de 1850. Se le añadió un mecanismo hidráulico con fines demostrativos. Fue la última en operar comercialmente en Cornualles hasta diciembre de 1959 y se trasladó a Poldark en 1972. ^{[ 8 ]} 
• Museo de Máquinas de Ryhope ( Ryhope , Inglaterra) : máquinas de vapor de doble balancín rotatorio; construidas en 1868. 
• Museo Marítimo Nacional de San Francisco ( San Francisco , EE. UU.): Alberga el transbordador Eureka , un ferry de la bahía de San Francisco construido en 1890 con el nombre de Ukiah. Cuenta con un motor de balancín a bordo y es el último ejemplo de un motor de balancín marino a flote.
• Museo de Shelburne ( Shelburne , EE. UU.): Alberga el Ticonderoga , un transbordador del lago Champlain construido en 1906. A bordo se encuentra uno de los dos únicos motores marinos de balancín que quedan en todo el mundo.
• Máquina de vapor de Smethwick ( Smethwick , Inglaterra) : la máquina de vapor en funcionamiento más antigua del mundo (1779). 
• Motor antiguo de Stretham ( Stretham , Inglaterra) : motor y rueda de descarga conservados estáticamente. 
• Museo del Vapor de Strumpshaw ( Strumpshaw , Inglaterra) : exhibe una antigua máquina de vapor de balancín procedente de Addington, que ahora funciona con aire comprimido. 
• Estación de bombeo de Tees Cottage ( Darlington , Inglaterra) : un motor rotativo Woolf de dos cilindros en funcionamiento , diseñado por Glenfield y Kennedy de Kilmarnock y construido por Teasdale Bros, bajo la dirección de T&C Hawksley , ingenieros civiles de Londres. 
• La máquina de haz rotatorio Boulton y Watt (tipo sol y planeta) en el Museo Nacional de Escocia (1786). ^{[ 9 ] [ 10 ]} Funcionamiento ocasional mediante neumática
• La máquina Newcomen de la mina de carbón de Caprington en el Museo Nacional de Escocia . Trabajos ocasionales con sistemas neumáticos.
• Museo Henry Ford (Dearborn, Michigan, EE. UU.) – Fairbottom Bobs , una máquina de vapor Newcomen de la década de 1760. 
• Museo del Agua y el Vapor de Londres ( Brentford , Inglaterra) : cinco máquinas 'Cornish' (en su ubicación original), de las cuales cuatro están en funcionamiento, junto con dos máquinas de vapor de balancín rotativas en funcionamiento (en el museo), incluyendo la máquina 'Cornish' en funcionamiento más grande del mundo con un cilindro de 90 pulgadas (2286 mm) .  
• Planta de tratamiento de agua de Western Springs ( Auckland , Nueva Zelanda) : máquina de vapor Woolf de doble expansión de 1877. En su ubicación original, restaurada y en funcionamiento, con un Museo de Transporte y Tecnología construido a su alrededor. La restauración de la estación de bombeo y la casa original de los ingenieros fue galardonada con el Premio al Mérito 2009 del programa de Conservación del Patrimonio Cultural de Asia-Pacífico de la UNESCO. 

• Crowley, TE (1982). La máquina de haz . Senecio Publishing. ISBN 0-906831-02-4.

• Animación de un motor de haz de Watt.
• La máquina minera más antigua que se conserva en Cornualles .
• Imágenes de archivo de los motores de la estación de bombeo de Addington en julio de 1973, un año antes de su desmantelamiento.
• Modelo funcional de motor de haz