GLI IMPIANTI A VAPORE - LE MACCHINE A VAPORE: La macchina alternativa

DISTRIBUZIONE 

Per manovrare un motore a vapore, un ufficiale aprirà una valvola a farfalla per regolare il vapore di alimentazione. Le valvole sui cilindri erano azionate tramite eccentrici azionati dall'albero motore, essendo presenti due eccentrici, uno di prua e uno di poppa, collegati ad un giunto di espansione che azionava una valvola del cilindro tramite una biella. 

Questo è stato chiamato glifo di Stephenson. Con il collegamento di espansione completamente su un lato, solo uno degli eccentrici, avanti o indietro, azionerebbe la valvola a pistone. Con il collegamento di espansione nel punto medio, entrambi gli eccentrici avrebbero la stessa influenza e la valvola a pistone non ammetterebbe vapore né per il funzionamento a poppa né per quella a prua, anche con la valvola di alimentazione aperta.  A lato è mostrata un'animazione del movimento di questo collegamento per una posizione intermedia del collegamento di espansione per il funzionamento in avanti sul cilindro HP del motore alternativo.

TRIPLICE ESPANSIONE

Per un migliore bilanciamento è anche possibile usare una macchina a tre cilindri con le manovelle disposte a 120°. L'accoppiamento di più cilindri non solo elimina le difficoltà di avviamento ma realizza anche un gruppo motore più affidabile poiché ogni cilindro può essere mantenuto a temperatura pressoché costante, contrariamente a ciò che si verifica nelle macchine monocilindriche.

L'aumento della stazza delle navi richiese propulsori di sempre maggior potenza passando dalle macchine a duplice espansione a quelle a triplice espansione, prima con tre cilindri orizzontali, poi con tre cilindri verticali. Vi sono stati casi di uso di triplice espansione con cilindri ad alta, media e bassa espansione anche nelle locomotive a vapore, tuttavia la complicazione meccanica e la criticità del funzionamento non ne ha consigliato lo sviluppo sulle locomotive mentre furono implementati spesso dei motori a vapore marini per le navi costruite tra la fine del XIX secolo e i primi anni del XX secolo e In tale periodo le macchine a tre cilindri furono le più diffuse. A partire da prua verso la poppa, erano generalmente disposti nell'ordine i cilindri a:

alta pressione

media pressione

bassa pressione

Nelle motrici alternative a triplice espansione il diametro dei cilindri era via via crescente, in quanto il vapore, durante il suo percorso attraverso una motrice, diminuisce di pressione e aumenta di volume, in modo che la potenza di ogni cilindro, diminuendo la pressione ma aumentando la superfice rimaneva uguale e la macchina risultava "bilanciata". Il vapore entrava nel cilindro più piccolo di alta pressione, passava poi nel cilindro di media pressione e, infine, nel cilindro di bassa pressione che era quello di maggior diametro.

QUADRUPLICE ESPANSIONE

L'aumento delle dimensioni delle navi e la richiesta maggiore di velocità, hanno favorito la costruzione di motrici alternative sempre più potenti. Sono state così realizzate macchine a quattro cilindri con due cilindri di bassa pressione con ulteriori incrementi di potenza complessiva dell'impianto di propulsione ottenuti aggiungendo una turbina di bassa pressione che utilizzava l'energia ancora contenuta nel vapore di scarico.

Una soluzione di questo tipo con due motrici alternative a quattro cilindri ed una turbina di bassa pressione, venne adottata sul RMS Titanic che disponeva di 45.000 HP di potenza complessiva.

VALVOLE E INGRANAGGI DELLA VALVOLA

Il cassetto di distribuzione presenta tuttavia alcuni inconvenienti, come l'attrito causato sul fondo dalla pressione del vapore. 

Per evitare l'usura provocata da questo effetto, il cassetto viene costruito di forma cilindrica, in modo che la pressione del vapore si distribuisca uniformemente su tutte le parti. 

Altri tipi di cassetto sono sagomati in modo che la pressione del vapore non agisca direttamente sul fondo.

Nelle macchine a vapore di maggiori dimensioni e potenza è necessario effettuare molto rapidamente e con perdite di attrito ridotte le operazioni di chiusura delle valvole. 

Si utilizzano allora valvole di chiusura separate nelle quali alla valvola principale è accoppiata una valvola secondaria controllata da un regolatore esterno. 

Come detto, la maggioranza delle macchine a vapore attuali sono a doppio effetto, ciò per ciascun giro dell’asse motore lo stantuffo effettua due corse attive (una d’andata e una di ritorno); in ognuna delle quali l’energia termica del vapore viene trasformata in energia meccanica. 

Il vapore di volta in volta agisce solo su una delle facce dello stantuffo ed espandendosi li fa scorrere all’interno del cilindro: contemporaneamente il vapore che si trova nel cilindro dall’altra parte dello stantuffo viene espulso attraverso valvole di scarico. Durante una corsa completa dello stantuffo in ciascuna delle due parti in cui esso divide il cilindro si hanno le seguenti fasi: 

1. Il vapore entra nel cilindro attraverso una valvola di immissione poco prima che la corsa precedente abbia termine, così da ammortizzare il moto dello stantuffo mediante un cuscino fluido. 
2. Dopo un certo periodo di tempo la valvola di immissione viene chiusa e l’espansione del vapore determina lo spostamento dello stantuffo che compie una corsa attraverso il cilindro. 
3. Poco prima che tale corsa abbia fine viene aperta una valvola di scarico che determina la fuoriuscita del vapore. 
4. Quasi contemporaneamente dall’altra parte dello stantuffo viene immesso da una seconda valvola di ammissione del vapore che, espandendosi, provoca il ritorno dello stantuffo. 
5. Durante la corsa di ritorno la valvola di scarico viene chiusa ed il poco vapore rimasto nel cilindro viene compresso fino quando, poco prima di tale corsa, non viene nuovamente aperta la valvola di immissione e quindi introdotto del nuovo vapore. 

Da una parte e dall’altra dello stantuffo si hanno le stesse fasi, ma esse avvengono in opposizione, nel senso che, quando da una parte il vapore si espande, dall’altra viene compresso e viceversa. 

Nella prossima pagina verrà raffigurata uno dei vari tipi di valvola che prenderà il nome di valvola a pistone in quanto si muove ed è comandata proprio come se fosse un pistone.

TESTACROCE

Una traversa è un blocco di acciaio quadrato fissato rigidamente all'estremità inferiore dell’asta del pistone. 

Sul lato anteriore e posteriore del blocco c'è un perno di acciaio rotondo noto come perno della traversa, attorno al quale si adattano i cuscinetti della traversa. 

Questi cuscinetti sono fissati rigidamente alla parte superiore della forcella della biella e durante il funzionamento i cuscinetti ruotano avanti e indietro attorno ai perni e devono essere lubrificati. Sul lato posteriore della traversa è attaccata una guida a pattini. La guida è realizzata in ghisa con la faccia piana del cuscinetto rivestita di metallo babbitt. 

Alcuni motori hanno una guida e altri due a seconda che si tratti di un motore a guida singola o doppia. La grande proporzione di motori costruiti oggi essendo di costruzione a guida singola, il testo tratterà questo tipo. Le guide sono generalmente raffreddate dall'acqua di mare che passa attraverso un nucleo nella parte posteriore della faccia della guida anteriore.

CUSCINETTI TESTACROCE

I cuscinetti della traversa sono imbullonati all’estremità superiore della biella e può essere in ottone o con rivestimento babbitt. Viene lubrificato attraverso una coppa dell'olio posta sulla parte superiore del cuscinetto.

ECCENTRICI

Gli eccentrici che muovono le valvole del motore su e giù sono semplicemente una ruota fuori centro o eccentrica fissata intorno e inchiavettata all'esterno dell'albero motore. Ne occorrono due per ciascuna valvola, una per la marcia avanti e una per la marcia indietro. Il moto dell'eccentrico in movimento è trasmesso all'asta eccentrica dalla cinghia eccentrica che si estende interamente intorno alla parte esterna dell'eccentrico, ruotando l'eccentrico all'interno di esso. La superficie interna del cinturino che porta sull'eccentrico è rivestita di metallo babbitt o bronzo. La lubrificazione deve essere fornita tra la cinghia e l'eccentrico.

MANOVELLA

La manovella è costruita in acciaio ed è composta dalle seguenti parti. Nastri che sono i due pezzi laterali che collegano l'albero motore con il perno di manovella. Perno di manovella che è un perno tondo in acciaio tra le estremità esterne dei nastri della manovella, attorno al quale è montato il cuscinetto del perno di manovella.

BIELLA

La biella è in acciaio, l'estremità superiore di solito è biforcuta nei motori di grandi dimensioni e fissata alla traversa con cuscinetti in modo che il perno di manovella sia libero di girare mentre la manovella gira. Anche il cuscinetto del perno di manovella deve essere lubrificato.