Macchine a vapore

MACCHINE A VAPORE

Le macchine o motrici a vapore forniscono lavoro meccanico sfruttando il movimento alternativo di uno stantuffo che si sposta all'interno di un cilindro nel quale si espande il vapore d'acqua surriscaldato.
L'importanza storica della macchina a vapore è enorme in quanto la 'rivoluzione industriale' fu resa possibile solo in seguito alla sua invenzione che fornì il primo metodo per produrre lavoro meccanico indipendentemente dalla disponibilità di corsi d'acqua o di venti di sufficiente potenza sin d'allora sfruttati.
Attualmente, in seguito al perfezionamento dei motori a combustione interna e dei motori elettrici, la macchina a vapore è utilizzata solo in casi particolari per la sua possibilità di sfruttare qualsiasi tipo di combustibile o qualsiasi sorgente di calore atta a portare in evaporazione acqua e per la sua caratteristica di sviluppare una coppia motrice costante, anche la massima ad essa consentita, a qualsiasi regime di velocità.
L'invenzione della macchina a vapore è dovuta principalmente al tecnico inglese Thomas Newcomen (1663-1729) che nel 1705, assieme ad altri, realizzò una macchina nella quale il vapore surriscaldato, generato portando all'ebollizione dell'acqua in una caldaia, agiva su una delle facce di uno stantuffo metallico mobile all'interno di un cilindro e comunicante mediante l'altra faccia direttamente con l'atmosfera esterna.Questa macchina, del tipo a semplice effetto in quanto il vapore agiva solo su una delle facce dello stantuffo, fu perfezionata dall'inventore scozzese James Watt (1736-1819), che la trasformò in una macchina a doppio effetto, nella quale cioè il vapore agiva su entrambe le facce dello stantuffo, e la dotò di un condensatore per ricondensare il vapore uscente dal cilindro in acqua, che veniva quindi ripompata nella caldaia in modo da realizzare un ciclo chiuso. In seguito la macchina a vapore subì altri notevoli perfezionamenti e fu sfruttata sia per automatizzare la produzione industriale, sia per muovere mezzi di trasporto: in quest'ultimo campo successi fondamentali si ebbero nel 1803, quando l'inventore americano Robert Fulton (1765-1815) realizzò il primo battello a vapore e nel 1829, quando l'inventore inglese George Stephenson (1781-1848) costruì la Rocket, la prima locomotiva a vapore veramente efficiente che diede inizio al grande sviluppo delle ferrovie.

Le moderne macchine a vapore sono caratterizzate sostanzialmente da una caldaia, nella quale l'acqua viene trasformata in vapore surriscaldato che, mediante un meccanismo di distribuzione, agisce alternativamente sulle due facce di uno stantuffo facendolo scorrere avanti ed indietro in un cilindro chiuso alle due estremità.
L'asta dello stantuffo passa a tenuta attraverso un premistoppa collocato su un'estremità del cilindro e, mediante un manovellismo, pone in rotazione un albero motore sul quale, al fine di regolarizzarne il moto, è calettato un grosso volano.
IL vapore utilizzato viene scaricato all'esterno del cilindro e fatto ricondensare nel condensatore. L'acqua così ottenuta è pompata nella caldaia dove viene trasformata nuovamente in vapore per ripetere il ciclo descritto. Attualmente esistono vari tipi di macchine a vapore, molte delle quali possiedono più cilindri i cui stantuffi agiscono sulle manovelle di un albero a gomito.
Va rilevato che la macchina a vapore è un motore a combustione esterna in quanto il combustibile viene bruciato fuori dai cilindri motori; ne consegue che l'inquinamento atmosferico prodotto dai gas combusti può essere più facilmente controllato.

FUNZIONAMENTO

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:

Il vapore entra il 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.

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.

Poco prima che tale corsa abbia fine viene aperta una valvola di scarico che determina la fuoriuscita del vapore.

Quasi contemporaneamente dall'altra parte dello stantuffo viene immesso da una seconda valvola di ammissione del vapore che, espandendosi, provoca il ritorno dello stantuffo.

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 maggior parte delle macchine a vapore la distribuzione di quest'ultimo da una parte e dall'altra dello stantuffo è regolata da una valvola a cassetto comandata da un meccanismo detto GLIFO di Stephenson. Tuttavia questa soluzione non si può adottare quando si impiega vapore a valori di pressione così elevati che determinerebbero eccessive perdite per attrito nella valvola a cassetto: le luci di immissione e di scarico vengono in tal modo chiuse ed aperte da un distributore costituito da due pistoni, coniugati solidali allo stesso stelo e mobili all'interno di un cilindro (anche questo tipo di distribuzione è stato inizialmente utilizzato nelle locomotive).
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.
A parte il caso in cui le macchine a vapore sono usate per azionare macchine con moto alternativo come le pompe o i magli, il moto alternativo dello stantuffo deve essere convertito in moto rotatorio. Si ricorre dunque ad una trasmissione basata sull'impiego di un albero a gomiti azionato da un biellismo.
L'asta dello stantuffo attraversa un'estremità del cilindro in un premistoppa a tenuta ed è collegata ad un organo detto, 'testa a croce', il quale è provvisto di pattini che scorrono su guide rettilinee; alla testa a croce è collegato il piede di una biella la cui testa all'altra estremità si articola con la manovella o collo d'oca di un albero a gomiti calettato sull'albero motore. Va rilevato che ogni ciclo completo l'asta dello stantuffo e la biella vengono a trovarsi due volte allineate con la manovella dell'albero a gomiti, e pertanto in queste posizioni, dette punti morti, non producono nessun effetto rotazionale su quest'ultimo. Per ovviare a questo inconveniente nelle macchine a vapore monocilindriche sull'albero a gomiti viene calettato un volano, la cui inerzia consente di superare i punti morti; nelle macchine a due o più cilindri si posizionano invece le manovelle secondo angoli di opportuno valore, in modo che i punti morti non si verifichino contemporaneamente.

TIPI DI MOTORI

Possono essere distinti in verticali od orizzontali, a semplice o doppio effetto, a valvole o a cassetto (a seconda del tipo di distribuzione); inoltre si possono avere motori a controcorrente o a equicorrente a seconda che lo scarico del vapore abbia luogo dalla stessa testata da cui esso entra, oppure, dalla parte centrale del cilindro. Infine si hanno motori a semplice, doppia, tripla, e quadruplice espansione a seconda che l'espansione del vapore avvenga in uno o più cilindri disposti in serie (cascata).
 
 

DISTRIBUZIONE

La capacità di una motrice a vapore di avvicinarsi alle condizioni di funzionamento teoriche e quindi il suo rendimento dipendono in gran parte dall'efficienza del sistema di distribuzione e cioè dagli organi che devono alternativamente immettere vapore nel cilindro, chiudere ermeticamente ogni passaggio durante l'espansione del vapore e infine permettere lo scarico del vapore dal cilindro.                                                                   Esistono distribuzioni a cassetto strisciante (piano, cilindrico), rubinetti rotanti e di distribuzione con valvole a sollevamento.
Un esempio di cassetto piano è quello mostrato in figura; il moto alternativo del cassetto è comandato da un eccentrico calettato sull'albero motore e con una trasmissione che consente la regolazione nel modo più favorevole sia della fase di apertura sia della fase di chiusura.
La regolazione della potenza sviluppata viene effettuata, nelle piccole motrici, mediante laminazione della pressione del vapore vivo attraverso una valvola di strozzamento: nelle macchine più grandi si effettua la regolazione, per migliorare il rendimento ai bassi carichi, variando la durata della fase di immissione del vapore, cioè dell'apertura del cassetto della valvola di immissione.
Ciò si ottiene variando il calettamento dell'eccentrico della distribuzione o delle camme che comandano le valvole, oppure modificando, per mezzo di glifi scorrevoli o con altri sistemi, la conformazione del cinematismo che collega l'albero principale gli organi della distribuzione.
Il grado di espansione della motrice (rapporto tra il volume del cilindro alla fine della fase di espansione e lo stesso volume alla fine della fase di immissione) deve essere sufficientemente elevato in relazione alla differenza di pressione fra immissione e scarico, allo scopo di ottenere un rendimento favorevole.
 
 
DIAGRAMMA REALE

Il risultato delle due azioni combinate della distribuzione dello stantuffo, e cioè l'andamento della pressione durante le diverse fasi, può essere studiato mediante il diagramma reale (o indicato) che permette di individuare e valutare le diverse perdite.
Il diagramma viene tracciato da una punta scrivente su un foglio di carta applicato ad un piccolo cilindro che, mediante un collegamento con l'asta dello stantuffo, ruota con moto alternativo in modo tale che le ascisse del diagramma risultino proporzionali, in una scala nota, agli spostamenti dello stantuffo.
La punta scrivente viene spostata (lungo una generatrice del piccolo cilindro rotante) da un piccolo stantuffo che si muove per effetto della pressione del vapore esistente nel cilindro motore: in tal modo le ordinate del diagramma sono proporzionali al valore istantaneo della pressione del cilindro principale (scala nota).
L'area racchiusa nel diagramma così ottenuto è proporzionale al lavoro sviluppato dal vapore sullo stantuffo motore: la pressione madia 'pm è quella pressione che, se fosse esercitata uniformemente durante tutta la corsa dello stantuffo 'l', svilupperebbe la stessa quantità di lavoro. Essendo note le scale del diagramma, si può da esso ricavare per integrazione il valore della pressione media.
Il rendimento termico della motrice dipende dalle perdite che si verificano nel ciclo reale rispetto al ciclo teorico e che possono essere riscontrate nel diagramma indicato quali perdite per laminazione negli organi di distribuzione e nei condotti, per riempimento dello spazio nocivo, per espansione incompleta del vapore dello scarico, per scambio di calore fra vapore e pareti metalliche e nel passaggio fra i cilindri di alta, media e bassa pressione. Le perdite di natura termica si possono ridurre adottando le distribuzioni a valvole, il flusso equicorrente, il vapore surriscaldato.
Le altre perdite, di natura meccanica, sono dovute per attrito dello stantuffo che scorre nel cilindro, dei perni nei cuscinetti e nelle guarnizioni, dei cassetti nelle loro sedi.
 

VARI TIPI DI MOTORE A VAPORE

Ricostruzione di una prima locomotiva a vapore