Cap. 3.3.-Máquinas de Vapor de Embolo.pdf

CAPTULO 3.2

MQUINAS DE VAPOR DE MBOLO

0. Aplicacin. Las mquinas de vapor son motores trmicos provistos de rganos dotados de movimiento alternativo con dos inversiones de movimiento por cada revolucin de su cigeal. Comparadas con las turbinas de vapor son mquinas relativamente lentas. Las mquinas de vapor tienen un excelente par motor, el cual les permite arrancar con grandes cargas. Cuando van provistas de mecanismos apropiados para el accionamiento de las vlvulas, resulta muy fcil invertir su sentido de rotacin. En la actualidad se emplean para el accionamiento de bombas ( sentinas, Barrido de Estanques de carga), ventiladores, hogares mecnicos, generadores elctricos de tamao limitado y compresores de aire y de refrigerantes, cabrestantes y winches de amarre, maniobra de carga. Las mquinas de vapor de potencia hasta 1,000 HP prestan un servicio igual o ligeramente mejor que las turbinas de vapor del mismo tamao trabajando en condiciones parecidas.

Estas mquinas de vapor no pueden trabajar con el vapor a las elevadsimas presiones y temperaturas empleado en las grandes turbinas de vapor, es mas deberan siempre usar vapor saturado ( las gotas de agua en suspenso en el vapor le sirven de lubricante entre el cilindro y el embolo). La potencia de las mquinas de vapor resulta pequea en relacin al espacio que necesitan. Sus prdidas calorficas son grandes y su contrapresin no puede reducirse mucho por debajo de 100 mm (4 pulg.) de mercurio absolutos.

1. Clasificacin de las mquinas de vapor. Las designaciones corrientes son: (1) Por la posicin de la bancada y cilindro horizontal y vertical. (2) Por el mecanismo de las vlvulas vlvula de corredera, tipo Corliss, y de seta. Las vlvulas de corredera pueden ser: de forma D o planas, equilibradas, de lumbreras mltiples, y de mbolo. Las mquinas Corliss pueden o no tener vlvulas de comunicacin con la atmsfera. (3) Por el sentido de circulacin del vapor dentro del cilindro a contracorriente y unidireccional. (4) Por el nmero de cilindros para la expansin del vapor monocilndricas (simple), de dos cilindros (compound), de tres cilindros (triple expansin), y de cuatro cilindros (cudruple expansin). Los nmeros sealados son los mnimos. Las mquinas de simple expansin pueden tener ms de un cilindro, pero, no obstante, el vapor no se expansiona sucesivamente en otros cilindros. Las mquinas de triple y cudruple expansin pueden tener ms de tres y cuatro cilindros, respectivamente: (5) Por la velocidad de rotacin en baja, media y alta. (6) Por la relacin entre la carrera y dimetro del clindro larga y corta. (7) Por el escape con condensador y sin condensador. Cualquier mquina de vapor lleva incorporada varias de las mencionadas clasificaciones, dependiendo del servicio que deben prestar y la economa trmica deseada.

2. Mquina de simple expansin. La Figura 3.23 representa las secciones verticales

de una pequea mquina de vapor, vertical, monocilndrica, a contracorriente, provista de vlvulas de corredera de tipo D, y de regulador de vapor, el cual no aparece representado. Esta mquina es de doble efecto porque tiene dos tiempos tiles por cada revolucin del cigeal. La designacin de contracorriente procede del hecho de que el vapor entra y sale por el mismo extremo del cilindro.

El vapor procedente de la tubera de alimentacin pasa por la vlvula de estrangulacin y atravesando el regulador entra en la cmara de distribucin. La vlvula de corredera alternativamente admite y deja escapar el vapor de cada uno de los extremos del cilindro. Esta vlvula tiene un movimiento alternativo producido por un mecanismo compuesto de una excntrica, con su collarn y varilla, y la corredera propiamente dicha con su vstago. La misin de las vlvulas de las mquinas de vapor y del mecanismo que las acciona consiste en gobernar la distribucin del vapor dentro del cilindro. Tal como se representa en la Figura 3.23 la vlvula est en la posicin de admitir vapor en el extremo superior del cilindro y de dejar escapar el vapor expansionado en el extremo inferior. El mbolo es movido por la presin del vapor admitido en cilindro. En un

cierto punto de la carrera del mbolo la vlvula cierra completamente la lumbrera de admisin, y se interrumpe el acceso del vapor procedente de la cmara de distribucin. Una vez interrumpida la admisin de vapor, la presin de ste dentro del cilindro disminuye debido a su expansin. La energa almacenada en el volante durante el perodo de admisin de vapor se utiliza para conservar la velocidad de la mquina.

Cerca del final de la carrera del mbolo la vlvula descubre la lumbrera de admisin correspondiente al extremo del cilindro considerado y permite que el vapor expansionado se escape por el hueco que existe debajo de la vlvula, tal como representa la Figura 3.23 para el extremo inferior del cilindro. El escape del vapor expansionado se realiza por debajo de la vlvula, mientras se admite vapor vivo por el otro extremo del cilindro y contina hasta cerca del final de la carrera de retorno del mbolo. Cuando la vlvula en su movimiento cierra completamente ambas lumbreras del cilindro, parte del vapor expansionado queda atrapado delante del mbolo en movimiento, y, al comprimirse, aumenta la presin. Esta compresin hace de almohadilla para el mbolo que viene de retorno y contina hasta que la vlvula se ha desplazado lo suficiente para admitir vapor en dicho extremo del cilindro. Un ciclo completo de esta clase se efecta por revolucin en cada extremo del cilindro. El ciclo descrito puede representarse grficamente por medio del diagrama dibujado con un instrumento, denominado indicador, cuando la mquina est en funcionamiento. La Figura 3.24 representa este diagrama para una mquina con regulacin por estrangulacin, en el cual aparecen las relaciones entre presiones y volmenes correspondientes a un extremo del cilindro en el momento de dibujar la figura. Todas las ordenadas representan presiones del vapor, y sus respectivas abscisas pueden representar el volumen total el vapor, el desplazamiento del mbolo, o la porcin de la carrera recorrida.

El movimiento alternativo, comunicado al mbolo por la admisin, expansin y escape de vapor alternativos en cada extremo del cilindro, es transmitido a la cruceta mediante el vstago del mbolo. La cruceta se mueve hacia delante y hacia atrs entre sus guas, y

a su vez comunica su movimiento a la biela, la cual lleva en cada extremo un buln y convierte el movimiento alternativo de la cruceta en movimiento de rotacin en el cigeal.

3. Nomenclatura. En el lenguaje de las mquinas de vapor se utilizan los trminos que se indican a continuacin. Punto muerto es la posicin en la cual ocurre la inversin del movimiento del mbolo en cada extremo del cilindro. Una mquina tiene dos puntos muertos, el prximo y el extremo con respecto al cigeal. Carrera es la distancia lineal recorrida por el mbolo desde un punto muerto al otro. La carrera de ida se efecta desde el punto muerto extremo al prximo, y la carrera de retorno, en sentido inverso. Las mquinas de carrera larga tienen un recorrido del mbolo ms grande que el dimetro del cilindro; en las de carrera corta es igual o ms pequeo. Desplazamiento del mbolo o cilindrada es el volumen, en m, barrido por el mbolo durante una carrera, y es igual al producto del rea del mbolo, en m, por la longitud de la carrera en m. Las dimensiones del cilindro se expresan en cm, indicando primero el dimetro del cilindro y a continuacin la carrera. Por ejemplo, 20,3 por 5,4 cm significa un cilindro de 20,3 cm de dimetro y 25,4 cm de carrera.

4. Vlvula de corredera. Tambin se designa por vlvula de tipo D debido a su forma (fig. 3.23 y 3.26 ). Las vlvulas de esta clase, cuando se utilizan sin modificacin, no permiten cerrar la admisin del cilindro a menos de 5/8 de la carrera sin que se produzcan serias interferencias en el ciclo. El cierre de la admisin relativamente retardado as producido, limita la expansin del vapor en las mquinas monocilndricas y reduce su rendimiento. Cuando el vapor de escape se utiliza para calentar el agua de alimentacin, calefaccin u otras aplicaciones, se mejora el rendimiento global de la instalacin.

5. Avances y recubrimientos. Avance es la magnitud que la vlvula deja descubierta la lumbrera de admisin cuando el mbolo est en un punto muerto (Fig. 3.25). El recubrimiento sirve para formar el almohadillamiento del mbolo cuando ste llega a su punto de reposos; para reducir las prdidas por estrangulacin cuando el mbolo parte de su posicin ms alejada, y para adelantar el escape.

Recubrimiento a la admisin o recubrimiento exterior es la magnitud que el borde de admisin de la vlvula recubre el borde de la lumbrera cuando la vlvula de halla en posicin media, la cual se encuentra en la mitad de su carrera, como sucede en la Figura 123. El recubrimiento al escape o recubrimiento interior es el recubrimiento del borde

de escape de la vlvula sobre el borde de escape de la lumbrera cuando la vlvula se halla en la posicin representada en la Figura 3.26. Los recubrimientos de admisin y de escape generalmente no son iguales para los dos extremos del cilindro, debido al ngulo formado por la biela y la varilla de la excntrica

Los recubrimientos de admisin son necesarios para adelantar el cierre de la admisin con el fin de que se produzca antes del fin de la carrera; una vlvula sin avance a la admisin o sin recubrimiento a la admisin, cierra sta al final de la carrera y frecuentemente se utiliza en las bombas de accionamiento directo. Los recubrimientos para el escape ayudan a dar compresin al vapor cerca del final de la carrera de retorno, si bien algunas vlvulas automticas de mquinas de gran velocidad estn construidas sin recubrimiento al escape.

6. ngulo de avance. El efecto de una excntrica (Fig. 3.23) equivale a un cigeal que mueva la vlvula hacia atrs y hacia delante cuando gira la excntrica. Este efecto se consigue haciendo la excntrica en forma de buln agrandado del cigeal, cuyo centro no coincida con el del eje sobre el cual se halla montada. La distancia entre los centros del cigeal y de la excntrica se denomina excentricidad y es igual al radio o brazo efectivo de la excntrica. Si la vlvula no tuviese ningn recubrimiento, ni avance, el radio efectivo de la excntrica debera estar situado formando un ngulo de 90 por adelantado con el cigeal de la mquina. Sin embargo, la vlvula debe estar desplazada cierto valor para dar el avance necesario en el punto muerto, lo cual exige que la excntrica est adelantada respecto al cigeal un ngulo igual a (90 + ), figura 124. la suma de los dos ngulos, a y b forma el ngulo de avance d, el cual es necesario para conseguir el recubrimiento a la admisin y el avance de admisin deseados.

7. Vlvulas equilibradas. La presin del vapor ejercida sobre el dorso de una vlvula puede aminorarse parcialmente de varias maneras. La mquina de la Figura 3.23 tiene un anillo de estopada adoptado al dorso de la vlvula y mantenido contra la tapa de la cmara de vapor por la accin de un muelle, disminuyendo de este modo en gran manera el esfuerzo de friccin de la vlvula, el cual debe ser vencido por su mecanismo. Las vlvulas de corredera de doble lumbrera tienen orificios que las atraviesan para permitir el paso de vapor a las lumbreras de la mquina. De esta forma se corta la carera de la vlvula, y cuando se disminuye parte de la presin ejercida sobre el dorso de la vlvula, se reduce notoriamente el esfuerzo de friccin que ha de vencer el mecanismo.

La vlvula de tipo mbolo (Fig. 3.27) es, en principio, una vlvula de corredera de tipo D. las vlvulas de mbolo se mueven hacia atrs y hacia delante en el interior de una cmara cilndrica, equilibrndose la presin del vapor debido a que la presin se ejerce sobre la totalidad de sus superficies. La corriente de vapor en la vlvula de mbolo es inversa en comparacin con las vlvulas de corredera de tipo D. obsrvese en la figura 3.27 que los bordes de entrada de la vlvula de mbolo corresponden a los bordes de escape de la vlvula de tipo D.

8. Regulacin de la velocidad. La misin del regulador de una mquina es limitar o aumentar automticamente la potencia desarrollada por la mquina cuando la carga disminuye o aumenta. La regulacin debe ser muy exacta para ciertas clases de trabajo, por ejemplo, en el caso de las mquinas destinadas al accionamiento de generadores elctricos, en los cuales la tensin por ellos producida es directamente proporcional a la velocidad de rotacin. Los reguladores deben tambin servir para impedir que se produzcan velocidades excesivas y peligrosas. Para que la regulacin resulte satisfactoria el regulador debe ser estable, es decir, debe tomar posiciones definidas para cualquier velocidad predeterminada. La regulacin mecnica de la velocidad en las mquinas de vapor puede efectuarse por estrangulacin o variando el volumen de vapor admitido en el cilindro.

El control por estrangulacin se realiza variando la presin inicial del vapor dentro del cilindro de la mquina. En la Figura 3.28 se representa la accin de un regulador del tipo de estrangulacin con tres cargas distintas de la mquina.

El control de velocidad por variacin de la admisin se lleva a cabo variando el volumen de vapor admitido en el cilindro de la mquina en consonancia con la fluctuacin de la carga. Esta accin puede conseguirse sin que la presin inicial del vapor disminuya mucho, tal como de indica en la Figura 3.29, la cual corresponde a cuatro valores de la carga.

Para plena o carga normal la duracin de la admisin de vapor se produce entre y 1/3 de la carrera. El cierre se adelanta para cargas pequeas y se atrasa cuando la carga aumenta. Las varias clases de reguladores del tipo de variacin de la admisin cambian el punto en que se produce el cierre, modificando: (1) el ngulo de avance de una excntrica; (2) la excentricidad de una excntrica y la magnitud de la carrera de la vlvula; o (3) el ngulo de avance y la carrera de la vlvula simultneamente.

9. Mquinas compound. El rendimiento trmico de las mquinas de vapor puede mejorarse ensanchando los lmites de presin y temperatura entre los cuales puede expansionarse el vapor dentro de la mquina. Con este fin se construyen mquinas con dos o ms cilindros para la expansin sucesiva del vapor. El cilindro en el cual se produce la primera expansin se denomina de alta prein; la ulterior expansin tiene lugar en el cilindro de baja presin.

Las mquinas compound se clasifican atendiendo a la posicin de los cilindros con relacin entre si y con respecto al cigeal de la mquina. La clasificacin comprende: (1) tandem-compound, en las que los mbolos de los cilindros de alta y baja presin tienen el vstago comn y los cilindros son coaxiales; y (2) compund propiamente dicho, que tiene paralelos los ejes de los cilindros y con las manivelas de la mquina en los extremos opuestos del cigeal.

Las mquinas compound propiamente dichas suelen tener las manivelas en voladizo en los extremos del cigeal, y el volante montado entre los cojinetes principales de la mquina. Ordinariamente, la manivela del cilindro de baja presin se halla calada a 90 por adelantado con respecto a la del cilindro de alta, en el sentido de rotacin. Esta disposicin produce un momento de torsin ms uniforme en el cigeal, pero requiere un depsito intermedio de interconexin (receiver). Estos depsitos de almacenamiento para el vapor de escape del cilindro de alta presin de una mquina compound son necesarios en los casos siguientes: cuando el vapor de escape del cilindro de alta no puede pasar continuamente al cilindro de baja, y en las mquinas que tienen la manivela de baja presin adelantada con respecto a la de alta presin y requieren la admisin de vapor en el cilindro de baja cuando el cilindro de alta no est en el perodo de escape.

Las mquinas en que se expansiona el vapor en cuatro cilindros o escalonamientos sucesivamente (cudruple expansin) no se emplean en la actualidad. En las de triple expansin el vapor se expansiona en tres o ms cilindros; no es raro encontrar mquinas de triple expansin provistas de cinco cilindros: uno para la expansin parcial del vapor de alta presin , dos cilindros intermedios y dos cilindros de baja presin.