Engranaje de válvulas

El mecanismo de distribución de una máquina de vapor acciona las válvulas de admisión y escape para permitir la entrada de vapor al cilindro y la salida del vapor de escape, respectivamente, en los puntos correctos del ciclo. También puede funcionar como mecanismo de inversión de giro . A veces se le denomina simplemente "mecanismo de transmisión".

En el caso más sencillo, esta tarea puede ser relativamente simple, como en el motor de combustión interna, donde las válvulas siempre se abren y cierran en los mismos puntos. Sin embargo, esta no es la configuración ideal para una máquina de vapor, ya que la máxima potencia se logra manteniendo abierta la válvula de admisión durante toda la carrera de potencia (lo que permite que la presión total de la caldera, menos las pérdidas de transmisión, actúe contra el pistón durante toda la carrera), mientras que la máxima eficiencia se logra manteniendo abierta la válvula de admisión solo por un breve período y luego permitiendo que el vapor se expanda en el cilindro (funcionamiento expansivo).

El punto en el que se deja de admitir vapor en el cilindro se conoce como punto de corte , y su posición óptima varía según el trabajo que se realice y el equilibrio deseado entre potencia y eficiencia. Las máquinas de vapor están equipadas con reguladores ( o válvulas de estrangulamiento) para variar la restricción del flujo de vapor, pero generalmente se prefiere controlar la potencia mediante el ajuste del punto de corte, ya que permite un uso más eficiente del vapor de la caldera.

Se puede obtener un beneficio adicional introduciendo el vapor en el cilindro ligeramente antes del punto muerto superior o inferior . Esta introducción anticipada (también conocida como inyección de vapor ) ayuda a amortiguar la inercia del movimiento a alta velocidad.

En el motor de combustión interna, esta tarea la realizan levas en un árbol de levas que accionan válvulas de asiento , pero esta disposición no se usa comúnmente en máquinas de vapor, en parte porque lograr una sincronización variable del motor mediante levas es complicado. En cambio, generalmente se utiliza un sistema de excéntricas , manivelas y palancas para controlar una válvula de corredera o de pistón a partir del movimiento. Por lo general, se suman dos movimientos armónicos simples con diferentes ángulos de fase fijos en proporciones variables para proporcionar un movimiento de salida que varía en fase y amplitud. A lo largo de los años se han ideado diversos mecanismos de este tipo, con resultados diversos.

Tanto las válvulas de corredera como las de pistón tienen la limitación de que los eventos de admisión y escape están fijos entre sí y no pueden optimizarse de forma independiente. Se proporciona solapamiento en los bordes de vapor de la válvula, de modo que aunque la carrera de la válvula se reduce a medida que se adelanta el corte, la válvula siempre está completamente abierta para el escape. Sin embargo, a medida que se acorta el corte, los eventos de escape también se adelantan. El punto de liberación del escape ocurre antes en la carrera de potencia y la compresión antes en la carrera de escape. La liberación temprana desperdicia algo de energía en el vapor, y el cierre temprano también desperdicia energía al comprimir una cantidad de vapor innecesariamente grande. Otro efecto del corte temprano es que la válvula se mueve bastante lentamente en el punto de corte y esto crea un punto de constricción que hace que el vapor entre en el cilindro a menos de la presión máxima de la caldera (llamado "estirado de alambre" del vapor, llamado así por el proceso de hacer alambre de metal estirándolo a través de un agujero), otro efecto termodinámico desperdiciado visible en un diagrama indicador .

Estas ineficiencias impulsaron la experimentación generalizada con válvulas de asiento para locomotoras. Las válvulas de asiento de admisión y escape podían moverse y controlarse independientemente, lo que permitía un mejor control del ciclo. Finalmente, no se instalaron muchas locomotoras con válvulas de asiento, pero eran comunes en vagones y camiones de vapor; por ejemplo, prácticamente todos los vagones, locomotoras y automotores Sentinel las utilizaban. Un diseño británico muy tardío, la clase SR Leader , empleaba válvulas de camisa adaptadas de motores de combustión interna, pero esta clase no tuvo éxito.

En las máquinas de vapor estacionarias , las máquinas de tracción y las máquinas marinas , las deficiencias de las válvulas y los mecanismos de distribución fueron algunos de los factores que provocaron la expansión compuesta . En las máquinas estacionarias también se utilizaron ampliamente las válvulas de disparo .

El mecanismo de distribución de válvulas fue un campo fértil para la invención, con probablemente varios cientos de variantes ideadas a lo largo de los años. Sin embargo, solo un pequeño número de ellas tuvo un uso generalizado. Se pueden dividir en aquellas que accionaban las válvulas recíprocas estándar (ya fueran de pistón o de corredera), las utilizadas con válvulas de asiento y los mecanismos de accionamiento fijos del motor utilizados con válvulas Corliss semirrotativas o válvulas de caída . ^{[ 1 ]}

Mecanismos de distribución alternativos

Tipos primitivos

• Excéntrica deslizante : este engranaje ahora se limita a máquinas de vapor a escala y aplicaciones de aficionados de baja potencia, como motores de lanchas de vapor, que llegan a unos pocos caballos de fuerza. La excéntrica está suelta en el cigüeñal, pero hay topes para limitar su rotación con respecto a este. El ajuste de la excéntrica a las posiciones de marcha adelante y marcha atrás se puede realizar manualmente girándola en una máquina detenida, o en muchas máquinas simplemente girando la máquina en la dirección de rotación deseada, donde la excéntrica se posiciona automáticamente. La máquina se empuja hacia adelante para colocar la excéntrica en la posición de marcha adelante y hacia atrás para colocarla en la posición de marcha atrás. No hay control variable de corte. ^{[ 2 ]} En el Ferrocarril de Londres y Noroeste , algunas de las locomotoras compuestas de tres cilindros diseñadas por Francis William Webb a partir de 1889 usaban una excéntrica deslizante para operar la válvula del único cilindro de baja presión. Estas incluían las clases Teutonic , Greater Britain y John Hick . ^{[ 3 ]}
• Mecanismo de gancho o de palanca : utilizado en las primeras locomotoras. Permitía la marcha atrás, pero no el control de corte.

Engranajes de enlace

Engranaje de avance constante (engranaje tipo Walschaerts)

Un componente del movimiento proviene de una manivela o excéntrica. El otro componente proviene de una fuente separada, generalmente el cabezal transversal .

• Mecanismo de distribución Walschaerts : el mecanismo de distribución más común en las locomotoras más modernas, normalmente montado externamente. También conocido como mecanismo de distribución Heusinger.
• Mecanismo de distribución Deeley : instalado en varias locomotoras expresas del ferrocarril Midland . Las palancas de combinación se accionaban, como es habitual, desde las crucetas. Cada eslabón de expansión se accionaba desde la cruceta del lado opuesto de la locomotora.
• Mecanismo de distribución Young : utilizaba el movimiento de la biela del pistón de un lado de la locomotora para accionar el mecanismo de distribución del otro lado. Similar al mecanismo Deeley, pero con algunas diferencias de detalle.
• Mecanismo de distribución Baguley – utilizado por WG Bagnall .
• Mecanismo de distribución Bagnall-Price : una variante del Walschaerts utilizado por WG Bagnall . Este mecanismo está instalado en las locomotoras Bagnall 3023 y 3050, ambas conservadas en el ferrocarril Welsh Highland Railway .
• James Thompson Marshall parece haber diseñado al menos dos modificaciones diferentes del equipo de Walschaerts.
  • Una de ellas era relativamente convencional.
  • El otro era muy complejo y accionaba válvulas separadas en la parte superior del cilindro (para admisión) y en la parte inferior (para escape). Tras la muerte del inventor, este mecanismo se instaló experimentalmente en la locomotora número 1850 de la clase N de Southern Railway , trabajo que se llevó a cabo del 16 de octubre de 1933 al 3 de febrero de 1934; pero falló el 22 de marzo de 1934. Dado que el inventor no pudo modificar el diseño, el mecanismo de válvulas fue reemplazado por un mecanismo Walschaerts estándar entre el 24 de marzo y el 11 de abril de 1934. ^{[ 4 ]}
• El mecanismo de distribución patentado de Isaacson , un mecanismo Walschaerts modificado, fue patentado en 1907 por Rupert John Isaacson y otros, con el número de patente GB190727899, publicada el 13 de agosto de 1908. ^{[ 5 ]} Se instaló en la locomotora 2-6-0T Blackpool del ferrocarril Garstang and Knot-End (construida en 1909) y en la Midland Railway n.° 382 durante 1910-11. ^{[ 6 ]} Isaacson también posee una patente (GB126203, publicada el 8 de mayo de 1919) para un lubricador de alimentación visual mejorado. Esta patente fue registrada conjuntamente con su representante, Ysabel Hart Cox. ^{[ 7 ]}

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  Mecanismo de distribución Kingan-Ripken . Se trata de un mecanismo tipo Walschaerts en el que la palanca de combinación está conectada a un brazo en la biela, cerca de su extremo pequeño, en lugar de a la cruceta. Patentado en Canadá por James B. Kingan y Hugo F. Ripken, patente CA 204805, emitida el 12 de octubre de 1920. ^{[ 8 ]} Este mecanismo se instaló en algunas locomotoras del ferrocarril Minneapolis, St. Paul and Sault Ste. Marie («Soo Line»); ^{[ 9 ]} Hugo Ripken trabajó como capataz en los talleres Shoreham de Soo Line en Minneapolis. ^{[ 10 ]}

Engranaje excéntrico doble (engranajes tipo Stephenson)

Dos excéntricas unidas por una biela curva o recta. Un sistema sencillo que funciona bien a baja velocidad. A alta velocidad, se dice que un engranaje tipo Walschaerts proporciona una mejor distribución del vapor y una mayor eficiencia.

• Mecanismo de distribución Stephenson : el mecanismo de distribución más común en el siglo XIX, normalmente ubicado dentro del bastidor de la locomotora .
• Mecanismo de distribución de válvulas William T. James, 1832, utilizado por primera vez por el ferrocarril Baltimore and Ohio , Estados Unidos.
• Mecanismo de distribución Allan , un mecanismo de distribución de biela recta. Está instalado en la locomotora 0-4-0WT "Dolgoch", conservada en el ferrocarril de Talyllyn .
• Engranaje de válvulas Gooch

Engranaje de palanca y biela (tipo Baker)

• Mecanismo de distribución Baker : bastante común en Estados Unidos, no tenía piezas deslizantes.

Engranajes radiales

Ambos componentes del movimiento provienen de una sola manivela o excéntrica. Un problema de esta disposición (en locomotoras) es que uno de los componentes del movimiento se ve afectado por el ascenso y descenso de la locomotora sobre sus muelles. Esto probablemente explica por qué los engranajes radiales fueron reemplazados en gran medida por los engranajes tipo Walschaerts en la práctica ferroviaria, pero continuaron utilizándose en máquinas de tracción y motores marinos.

• El mecanismo de distribución Hackworth fue inventado por John Wesley Hackworth en 1859.
• Mecanismo de distribución Joy : un diseño ampliamente utilizado en las líneas L&YR y LNWR en Inglaterra y otros lugares. Un ejemplo conservado es la locomotora LNWR Clase G2a número 49395.
• Mecanismo de distribución Marshall : un mecanismo Hackworth modificado, patentado en 1879 por Marshall, Sons & Co. Una aplicación moderna se encuentra en la locomotora en miniatura Badger . ^{[ 11 ]}
• Mecanismo de distribución Brown : Inventado por Charles Brown (1827–1905), padre de Charles Eugene Lancelot Brown . ^{[ 12 ]} Este mecanismo fue utilizado por el ferrocarril Corpet-Louvet and Duffield Bank .
• Mecanismo de distribución Southern : tuvo una breve popularidad en Estados Unidos alrededor de 1920. Incorporaba elementos de los diseños Baker, pero prescindía de la palanca combinada de los Walschaerts.

Engranajes conjugados

Estos sistemas permiten construir locomotoras de 3 o 4 cilindros con solo dos juegos de distribución. El más conocido es el sistema de distribución conjugada de Gresley , utilizado en locomotoras de 3 cilindros. El sistema Walschaerts se suele usar para los dos cilindros exteriores. Dos palancas conectadas a las bielas de las válvulas de los cilindros exteriores accionan la válvula del cilindro interior. Harold Holcroft ideó un método diferente para la distribución conjugada, uniendo el cilindro central al conjunto de palancas de combinación de un cilindro exterior, creando así el derivado del sistema de distribución Holcroft . En una locomotora de 4 cilindros, la disposición es más sencilla. La distribución puede estar en el interior o en el exterior, y solo se necesitan ejes oscilantes cortos para conectar las válvulas de ambos cilindros.

La dirección de marcha y el corte de la locomotora se ajustan desde la cabina mediante una palanca de inversión o un inversor de tornillo que acciona una varilla que llega hasta el mecanismo de distribución. Algunas locomotoras de vapor de mayor tamaño emplean un inversor de marcha, que es un servomecanismo , generalmente alimentado por vapor. Esto facilita al maquinista el control del mecanismo de inversión .

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• Válvula Trofimoff

• Mecanismo de válvulas del acelerador Berry .
• Diagramas archivados el 3 de diciembre de 2013 en la Wayback Machine de los mecanismos de distribución de válvulas Walschaerts y Stephenson, tal como se suministraban en locomotoras de vapor en funcionamiento.
• Animaciones de 5 mecanismos de distribución de válvulas de las marcas Stephenson, Walschaert, Baker, Southern y Young.