Máquina de vapor de flujo unidireccional

Los motores de flujo unidireccional permiten una mayor expansión en un solo cilindro sin el flujo de vapor de escape relativamente frío a través del extremo caliente del cilindro de trabajo y los puertos de vapor de un motor de vapor convencional de "contracorriente" durante la carrera de escape. Esta condición permite una mayor eficiencia térmica. Los puertos de escape permanecen abiertos solo durante una pequeña fracción de la carrera del pistón, y se cierran justo después de que el pistón comienza a moverse hacia el extremo de admisión del cilindro. El vapor que queda dentro del cilindro después de que se cierran los puertos de escape queda atrapado y es comprimido por el pistón que regresa. Esto es termodinámicamente deseable, ya que precalienta el extremo caliente del cilindro antes de la admisión de vapor. Sin embargo, el riesgo de una compresión excesiva a menudo conlleva la inclusión de pequeños puertos de escape auxiliares en las culatas. Este diseño se denomina motor de flujo semiunidireccional.

Los motores de este tipo suelen tener varios cilindros en línea y pueden ser de simple o doble efecto. Una ventaja particular de este tipo es que las válvulas pueden accionarse mediante el efecto de múltiples árboles de levas, y al cambiar la fase relativa de estos árboles, se puede aumentar la cantidad de vapor admitido para obtener un par motor elevado a baja velocidad y disminuirla a velocidad de crucero para una mayor eficiencia. Alternativamente, los diseños que utilizan una superficie de leva más compleja permiten variar la sincronización desplazando longitudinalmente todo el árbol de levas con respecto a su seguidor, lo que permite variar el momento de admisión. El árbol de levas puede desplazarse mediante dispositivos mecánicos o hidráulicos. El sentido de giro del motor puede cambiarse modificando la fase absoluta. El diseño de flujo unidireccional también mantiene un gradiente de temperatura constante a través del cilindro, evitando que el vapor caliente y frío pasen por el mismo extremo del cilindro.

En la práctica, el motor de flujo unidireccional presenta varias deficiencias operativas. La gran relación de expansión requiere un gran volumen de cilindro. Para obtener el máximo rendimiento del motor, se necesita una alta velocidad de oscilación, típicamente un 80 % más rápida que en un motor de contracorriente de doble efecto. Esto provoca que los tiempos de apertura de las válvulas de admisión sean muy cortos, sometiendo a una gran tensión a una pieza mecánica delicada. Para soportar las enormes fuerzas mecánicas a las que se enfrenta, los motores deben ser robustos y se requiere un volante de inercia grande tanto para suavizar las variaciones de par a medida que la presión del vapor sube y baja rápidamente en el cilindro como para compensar la inercia del pesado pistón. Debido a que existe un gradiente térmico a través del cilindro, el metal de la pared se expande en diferentes grados. Esto requiere que el orificio del cilindro se mecanice más ancho en el centro frío (a veces descrito como "en forma de huevo") que en los extremos calientes. Si el cilindro no se calienta correctamente, o si entra agua, el delicado equilibrio puede romperse, provocando el agarrotamiento a mitad de carrera, lo que puede causar daños o la destrucción del motor.

El principio de flujo unidireccional se utilizó principalmente para la generación de energía industrial, pero también se probó en algunas locomotoras ferroviarias en Inglaterra, como las locomotoras de flujo unidireccional n.° 825 de 1913 y n.° 2212 de 1918 del Ferrocarril del Noreste , ^{[ 1 ]} y la locomotora Paget del Ferrocarril del Medio Oeste . También se realizaron experimentos en Francia, ^{[ 2 ]} Alemania, Estados Unidos y Rusia. ^{[ 1 ]} En ningún caso los resultados fueron lo suficientemente alentadores como para emprender un mayor desarrollo.

La primera utilización a gran escala de un motor Uniflow fue en los vagones de vapor Atkinson , en 1918. ^{[ 3 ]} Solo se sabe que existe un vagón de vapor de este tipo; fue construido en 1918, pasó su vida útil y un período de abandono en Australia, y luego fue repatriado a Inglaterra y restaurado por Tom Varley en 1976-77. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La evolución comercial final del motor uniflow tuvo lugar en Estados Unidos a finales de la década de 1930 y durante la década de 1940 por la Skinner Engine Company con el desarrollo del motor de vapor marino Compound Unaflow. ^{[ 1 ]} Estos motores utilizan una configuración compuesta de tipo campanario y su eficiencia se aproxima a la de los diésel contemporáneos. Muchos transbordadores de automóviles en los Grandes Lagos estaban equipados con ellos, uno de los cuales todavía está en funcionamiento, el SS Badger  de 1952. El portaaviones de escolta de la clase Casablanca , el diseño de portaaviones más prolífico de la historia, utilizó dos motores Skinner Unaflow de 5 cilindros, pero estos no eran compuestos de tipo campanario. Un Skinner Uniflow no compuesto permaneció en servicio hasta 2013 en el buque cementero de los Grandes Lagos SS St. Marys Challenger , instalado cuando el buque fue remotorizado en 1950. El SS Prince George utilizó dos Skinner uniflow de 6 cilindros reciclados. Fue retirado en 1984. 

En tamaños pequeños (menos de unos 1000 hp (750 kW) ), las máquinas de vapor alternativas son mucho más eficientes que las turbinas de vapor. La central solar de White Cliffs utilizó un motor de tres cilindros de flujo unidireccional con válvulas de admisión tipo " Bash " para generar unos 25 kW de electricidad.   

La configuración de la máquina de vapor de flujo unidireccional de simple efecto se asemeja mucho a la de un motor de combustión interna de dos tiempos , y es posible convertir un motor de dos tiempos en una máquina de vapor de flujo unidireccional alimentando el cilindro con vapor a través de una válvula de descarga instalada en lugar de la bujía. ^{[ 6 ]} Cuando el pistón ascendente se acerca al final de su carrera, abre la válvula de descarga para permitir la entrada de un pulso de vapor. La válvula se cierra automáticamente cuando el pistón desciende, y el vapor se expulsa a través de los orificios existentes del cilindro. La inercia del volante impulsa entonces el pistón de vuelta al final de su carrera contra la compresión, como ocurre en la forma original del motor. Al igual que el original, la conversión no es autoarrancable y requiere una fuente de energía externa para arrancar. Un ejemplo de dicha conversión es el ciclomotor a vapor, que se arranca pedaleando. ^{[ 7 ]}