VAPORE

VAPORE (XXXIV, p. 981)

Distribuzione (p. 984). - Nelle macchine motrici a fluido, distribuzione è l'azione con la quale il fluido motore è messo a contatto periodicamente, o con continuità con gli organi ai quali deve cedere parte della propria energia. Vi sono distributori nelle turbine termiche e idrauliche, ma più propriamente il termine distribuzione è usato nelle motrici alternative a vapore per indicare l'ordinata successione delle fasi secondo le quali il vapore compie nel cilindro il ciclo di operazioni attraverso le quali la sua energia termica viene in parte mutata in energia meccanica e utilizzata. Il termine stesso si applica anche ai diversi tipi di meccanismi mediante i quali tale successione viene realizzata.

Nelle prime macchine a vapore la distribuzione era fatta a mano, da un operaio che apriva e chiudeva alternativamente i rubinetti che stabilivano le comunicazioni tra il cilindro e la caldaia o il condensatore. Ciò era permesso dalla grande lentezza di movimento di quelle prime macchine. Uno di tali operai, il Potter, escogitò nel 1713, per alleviare il suo lavoro, il primo sistema automatico di distribuzione, collegando con funicelle i rubinetti agli organi in moto della macchina; il Beighton concretò l'idea in un meccanismo vero e proprio che fu applicato alle macchine di Newcomen usate in quell'epoca. Anche il Watt perfezionò i meccanismi di distribuzione e lo Stephenson ideò il meccanismo che da lui prese nome, applicandolo alle sue locomotive.

Secondo il tipo degli otturatori adoperati per aprire e chiudere le successive vie di comunicazione tra le camere del cilindro e la caldaia e il condensatore o l'atmosfera libera, i sistemi di distribuzione oggi adoperati si possono classificare in sistemi con otturatori a scorrimento e sistemi con otturatori a sollevamento.

Distribuzioni con otturatori a scorrimento. - La distribuzione a cassetto è stata per gran tempo la più diffusa, oggi è quasi completamente abbandonata, ma è tuttavia interessante farne un esame abbastanza particolareggiato.

Al cilindro C (fig. 1) è unita una camera di vapore V il cui fondo è piano e levigato ed è chiamato "specchio". Su esso si aprono tre luci, di norma rettangolari, di cui le due estreme a e c comunicano con le estremità delle due camere del cilindro e quella centrale b con il tubo di scarico (che a sua volta è in comunicazione con il condensatore o con l'atmosfera libera o con successivi cilindri a minor pressione).

Sullo specchio striscia un otturatore o "cassetto" k in modo che la sua cavità ricopra sempre la luce centrale b, mentre le due luci laterali sono messe alternativamente in comunicazione con la camera di vapore o con la luce centrale. Il cassetto è messo in moto mediante un meccanismo collegato con l'asse motore, generalmente una biella e una manovella, o un eccentrico calettati sull'asse stesso.

Quando lo stantuffo è in fine di corsa, per es., presso il fondo di sinistra del cilindro, la manovella motrice, che si suppone giri in senso orario, sarà nel punto morto più vicino al cilindro. Perché il vapore incominci ad essere introdotto nella camera di sinistra del cilindro occorre che il cassetto, oltrepassando la sua posizione mediana, incominci a muoversi verso destra; si vede quindi che la manovella, o l'eccentrico, che comanda il cassetto, dovrà essere calettato almeno di un angolo retto in anticipo sulla manovella motrice.

Se i bordi verticali del cassetto avessero, come in fig. 1, una larghezza esattamente uguale a quella delle luci a e c, si vede subito che, prendendo in esame, per es., la camera di sinistra, vi sarebbe ammissione per tutta la corsa dello stantuffo verso destra e scarico per tutta la corsa di ritorno. Così sono, infatti, costruiti i cassetti delle macchine che funzionano con fluidi incompressibili, come le motrici idrauliche a stantuffo. Per introdurre le fasi di espansione e di compressione (v. vapore: Macchina a vapore, XXXIV, p 981 segg.) è necessario invece che venga ampliato lo spessore dei b0rdi del cassetto mediante i cosiddetti "ricoprimenti" o "sporti" (fig. 2).

Il ricoprimento esterno e introduce la fase di espansione chiudendo la luce prima che il cassetto sia tornato nella sua posizione mediana e la manovella motrice al punto morto. Naturalmente verrebbe ritardato di altrettanto anche l'inizio dell'ammissione e quindi è necessario aumentare l'angolo di calettamento dell'eccentrico di quanto occorre perché, quando la manovella motrice è al punto morto, il lembo dello sporto esterno coincida con il lembo esterno della luce, o meglio lo abbia già scoperto di una certa quantità, realizzando così un anticipo all'ammissione; l'eccedenza dell'angolo di calettamento sui 90° si chiama angolo di anticipo.

Lo sporto interno i ha l'effetto di ridurre l'anticipo allo scarico e di aumentare la durata della compressione; in alcuni casi può mancare, o anche essere negativo.

Con un dato cassetto e con un dato angolo di calettamento, la distribuzione risulta a espansione costante, giacché, fissati gli elementi geometrici, rimane fissata la durata delle varie fasi. L'interdipendenza di queste appare più chiaramente dal diagramma circolare di Reuleaux-Müller (fig. 3). Tracciato un cerchio di centro O il cui diametro si prende (in differenti scale) come misura sia della corsa dello stantuffo, sia di quella del cassetto, si tracciano due diametri perpendicolari AB e CD e un diametro RR′ che faccia con quest'ultimo un angolo uguale all'angolo di anticipo δ. Si vede allora che se prendiamo una posizione qualunque della manovella motrice, per es., OM, in cui essa abbia descritto un angolo α dal punto morto A, è:

e siccome OM rappresenta (nelle due scale) tanto il raggio della manovella motrice quanto quello dell'eecentricità che comanda il cassetto, Om′ rappresenterà lo spostamento che il cassetto ha subito dalla sua posizione mediana quando la nanovella motrice si trova in M. Tracciando allora il diametro perpendicolare a RR′ si avranno in A₀ e B₀ le posizioni del bottone di manovella quando il cassetto occupa la sua posizione mediana e tracciando per m₁ e m₄ le parallele a distanze uguali (sempre nella scala opportuna) al ricoprimento esterno e e a quello interno i si avranno in M₁ e M₂ le posizioni del bottone di manovella in corrispondenza delle quali il lembo esterno del cassetto incomincia a scoprire e rispettivamente termina di chiudere completamente la luce a della camera sinistra del cilindro, cui ci si riferisce (per l'altra camera la costruzione è identica), e in M₃ M₄ i punti in cui il ricoprimento interno si trova nelle stesse condizioni.

Gli archi M₁ M₂, M₂ M₃, M₃ M₄, M₄ M₁ definiscono la durata delle successive fasi durante un giro di manovella e precisamente si avrà ammissione da M₁ a M₂, espansione da M₂ a M₃, scarico da M₃ e M₄, compressione da M₄ a M₁. L'angolo δ si prende abbastanza grande perché il punto M₁ cada prima del punto morto A, cioè vi sia anticipo all'ammissione durante il piccolo arco M₁ A. Così si ha anticipo allo scarico durante l'arco M₃ B. Come appare anche dal diagramma i diversi elementi geometrici influiscono sul ciclo nel modo seguente. L'aumento dello sporto esterno ritarda il principio e anticipa la fine dell'ammissione; quello dello sporto interno ritarda l'inizio dello scarico e anticipa quello della compressione; aumentando l'angolo δ si anticipa l'inizio e la fine dell'ammissione e dello scarico.

Un altro tipo di diagramma molto usato è quello di Zemer (fig. 4), nel quale gli spostamenti del cassetto sono rappresentati come vettori uscenti dal centro del cerchio di manovella, nelle direzioni corrispondenti che viene a occupare la manovella stessa. Per disegnarlo, si eleva da O il diametro perpendicolare a quello dei punti morti M₁ M₂, e si traccia un altro diametro G₁ G₂, inclinato rispetto a questo di δ in senso contrario a quello della rotazione della manovella. Si descrivono quindi due cerchi, passanti per O, con i centri su G₁ G₂ e raggio uguale alla eccentricità che comanda il cassetto. Per una posizione qualunque M della manovella, il segmento OK rappresenta il corrispondente spostamento del cassetto dalla posizione media.. Se quindi con centro O si descrivono due archi di cerchio di raggio e e i rispettivamente, e per le intersezioni si conducono i raggi vettori corrispondenti, si ha da E₁ a M₁ anticipo all'ammissiorie, da M₁ a E₂ ammissione, da E₂ a I₁ espansione, da I₁ a M₂ anticipo allo scarico, da M₂ a I₂ scarico, da I₂ a E₁ compressione.

Altri diagrammi, meno usati, sono quello ellittico, in cui gli spostamenti dello stantuffo sono riportati come ascisse e quelli del cassetto come ordinate, quello del Bilgram e altri.

La distribuzione a cassetto semplice si presta male per piccoli gradi di ammissione per i quali occorre aumentare molto lo sporto esterno e conseguentemente anche l'angolo δ con che si alterano anche i rapporti tra le altre fasi. Il vapore inoltre, passando attraverso le strette fessure delle luci socchiuse subisce una laminazione e conseguente caduta di pressione. La distribuzione a cassetto presenta poi altri inconvenienti di natura meccanica; il vapore della camera, premendo sul dorso del cassetto, nella cui cavità regna la pressione di scarico, genera un fortissimo attrito che dà luogo a un rapido consumo dello specchio e richiede un dispendio di energia notevole (perfino oltre l'1% della potenza della macchina).

Per ovviare, almeno in parte, a questi inconvenienti sono state studiate molte varianti; accenneremo alle più importanti.

Il cassetto suddiviso, ottenuto sdoppiando l'otturatore in due (fig. 5) raggiunge lo scopo di diminuire gli spazî nocivi, l'attrito e la corsa del cassetto stesso.

Il cassetto a canale (fig. 6), vuole invece ovviare all'inconveniente della laminazione creando una seconda via all'ammissione del vapore nello spessore del cassetto. Con alcuni rapporti delle dimensioni si viene a stabilire una comunicazione tra le due camere del cilindro verso la fine dell'espansione in una c della compressione nell'altra. La cosa non è nociva, anzi in alcune macchine a ricupero di vapore o a contropressione, vantaggiosa.

Consimile artificio è adottato nel cassetto Penn, nel quale sono suddivise in due le luci di ammissione sullo specchio; la corsa viene molto ridotta.

Per rendere la durata dell'ammissione indipendente da quella delle altre fasi sono stati costruiti i cassetti con doppio otturatore, uno dei quali serve per controllare la durata dell'ammissione.

La distribuzione Meyer (fig. 7) ha, al disopra del cassetto, un otturatore ausiliario mosso da un eccentrico apposito e costituito da due piastre che limitano la durata dell'ammissione a seconda della loro distanza. Le due piastre vengono mutuamente avvicinate o allontanate girando una vite a filettatura destra e sinistra che le impegna. Secondo la figura, girando la vite nel senso della freccia si aumenta l'ammissione.

Un risultato simile è ottenuto nella distribuzione Rider in cui il cassetto ha i condotti passanti, come nella Meyer, ma l'organo di controllo è una piastra foggiata a tegolo che scorre in un incavo cilindrico praticato sul dorso del cassetto. Nella fig. 8 a sinistra, è indicato un cassetto di questo tipo, in sezione. Era molto usata nella costruzione delle locomobili e macchine di piccola potenza.

Per ovviare all'inconveniente dell'attrito sono stati studiati diversi tipi di cassetti equilibrati o parzialmente scaricati; l'unica soluzione però che abbia risposto bene è quella del cassetto cilindrico che ancora tiene il campo nella costruzione delle locomotive.

La camera di vapore (v. schema fig. 9) ha forma cilindrica e in essa scorre a tenuta il cassetto, formato da uno stelo e due stantuffi, che la divide in tre parti. Le luci sono anulari e gli spessori degli stantuffi si comportano esattamente come i bordi del cassetto. Quando l'ammissione del vapore avviene dalla parte centrale, gli sporti vanno invertiti e l'angolo di calettamento deve seguire anziché precedere la manovella.

La limitata porzione della camera di vapore nella quale strisciano i dischi del cassetto viene spesso rivestita con pezzi ricambiabili.

Ai sistemi a otturatore strisciante appartengono anche le distribuzioni a rubinetti. Gli otturatori sono quattro, uno per l'ammissione e uno per lo scarico a ciascuna estremità del cilindro (v. schema fig. 10), opposti ovvero raggruppati dalla stessa parte. Il rubinetto è generalmente molto lungo rispetto al diametro e disposto in un piano perpendicolare all'asse del cilindro. L'otturatore ha sezione di settore circolare e opera l'apertura e la chiusura della luce sempre con lo stesso lembo, compiendo movimenti oscillanti di rotazione. Il movimento è comunicato ai quattro rubinetti a mezzo di eccentrici o da un disco, a sua volta azionato da un eccentrico (sistema Corliss). Il grado di ammissione viene regolato anticipando la chiusura dei rubinetti di ammissione mediante un dispositivo a scatto che li libera momentaneamente dal meccanismo di comando lasciandoli in potere di una molla o di un freno idraulico.

Distribuzioni con otturatori a sollevamento. - Sono quelle più adottate nelle moderne costruzioni e si prestano bene per vapore surriscaldato e per alte pressioni.

Gli otturatori sono valvole (fig. 11) a due o quattro sedi e quindi equilibrate. Le sedi sono coniche (con uguale inclinazione o con coni convertici) o piane; in alcuni casi parte coniche e parte piane.

Le valvole sono di regola quattro, due per ogni camera del cilindro: una per l'ammissione e una per lo scarico. Nelle macchine orizzontali le valvole di ammissione sono disposte sopra i cilindri e quelle di scarico inferiormente.

Il comando della distribuzione a valvole viene effettuato generalmente da un albero, parallelo all'asse del cilindro e mosso dall'albero motore mediante una coppia di ingranaggi conici; quest'albero ausiliario porta calettati gli eccentrici o le camme che azionano le valvole attraverso un vario giuoco di leve, di bielle e di bilanceri.

Anche per la regolazione dell'ammissione vi sono molti dispositivi. La fig. 12 riproduce schematicamente il sistema di regolazione Sulzer a scatto. Sull'albero della distribuzione O è calettato un eccentrico OE che comanda una biella EF, guidata in F da un braccio oscillante FG, fissato in G al sostegno. Sul punto F è articolata un'altra biella che comanda il braccio KC articolato folle in C sull'asse del bilancere PQ che alza la valvola di ammissione. Sullo stesso braccio in K è anche fulcrata la leva NKA, la quale impegnandosi col dente A contro la traversina P del bilancere, può produrre l'abbassamento insieme con quello del braccio KC. L'entità di questo abbassamento dipende dalla posizione che assume nello spazio la traiettoria di A (segnata in figura) e precisamente dalla sua interferenza con quella di P. La variazione di tale interferenza è ottenuta a mezzo della leva a squadra IGJ che è comandata dal regolatore tra le posizioni GI₁ e GI₂. Tale leva attraverso la biella JJ′ e la squadra J′ LL′ fulcrata in L sul prolungamento della biella EF già vista, attacca l'estremo N della leva angolare NKA, e determina lo spostamento della traiettoria di A e quindi la durata del sollevamento della valvola, e il grado di ammissione.

Nel sistema Colmann, pure a scatto (fig. 13) la biella FK comandata dall'eccentrico, attacca in K il braccio KC, folle sull'asse C del bilancere PCQ che solleva la valvola. Quando il braccio KC si abbassa, il dente della levetta KA fulcrata in K si impegna contro il dente P del bilancere trascinandolo. L'ampiezza dell'escursione è determinata dalla posizione della manovella GI, comandata dal regolatore, la quale a un certo momento (determinato dalla sua posizione angolare) urta contro la leva KA (opportunamente profilata) e provoca lo scavallamenlo del dente dclla stessa da P e quindi la chiusura della valvola.

Nei due sistemi accennati l'eccentricità che comanda la distribuzione resta costante, in altri (per es., Lentz-Tosi) la regolazione viene effettuata facendo variare il valore dell'eccentricità.

Un sistema particolare ingegnoso e ben realizzato è quello della distribuzione Caprotti, largamente adottata sulle locomotive e, negli ultimi tempi, anche su macchine marine. Per queste applicazioni, nelle quali le inversioni del senso di rotazione è requisito essenziale, la distribuzione a valvole offre molte difficoltà che l'inventore italiano ha superate genialmente.

Ad ogni estremità del cilindro sono riunite in gruppo una valvola di ammissione e una di scarico. Le due valvole di ammissione sono comandate da una sola coppia di camme (fig. 14) sulle quali strisciano due rullini R e R′, imperniati sul bilancere O, a sua volta fulcrato su un estremo della leva d'angolo P che con l'altro estremo agisce sullo stelo della valvola provocandone l'apertura. Il moto della valvola dipende quindi da due camme delle quali una comanda l'apertura e una la chiusura, dimodoché variando l'orientamento dell'una, indipendentemente da quello dell'altra, si può, entro certi limiti, variare il grado di ammissione senza modificare l'anticipo, altro che per gradi molto piccoli. Le valvole di scarico sono invece, di norma, comandate da una sola camma, in modo da lasciar variare simultaneamente l'anticipo allo scarico e la compressione. I varî gradi di ammissione e l'inversione del senso di rotazione si ottengono cambiando l'orientazione delle canne. Queste sono montate folli sull'albero della distribuzione che riceve il movimento dell'albero motore, e sono trascinate in movimento ciascuna da una chiocciola alla quale sono collegate per mezzo di due asticelle parallele all'albero. Le chiocciole sono impegnate su una vite a grande passo ricavata sull'albero della distribuzione (fig. 15) e sono munite di collari folli che, trattenuti da coppie di biellette, vengono a determinare la posizione longitudinale delle chiocciole stesse sull'albero della distribuzione. In tali condizioni ogni chiocciola, essendo impedita di spostarsi longitudinalmente, è trascinata in rotazione dall'albero e, attraverso la coppia di asticelle trascina con sé in rotazione la camma cui è collegata. Se per mezzo delle biellette e del collare si sposta poi longitudinalmente la chiocciola lungo l'albero, questa girerà facendo ruotare la camma a cui è congiunta e variandone quindi l'orientazione. Costruttivamente tutto l'assieme risulta molto compatto (fig. 16); gli spostamenti longitudinali delle chiocciole sono comandati da un alberello con gomiti sui quali si articolano coppie di biellette e che con i suoi spostamenti angolari, determina la scala dei gradi di ammissione dall'ammissione massima a marcia avanti, al punto morto e all'ammissione massima a marcia indietro.

Distribuzione Stumpf. - Una distribuzione che partecipa delle caratteristiche di ambedue le categorie accennate è quella sistema Stumpf, detta anche a equicorrente. L'ammissione del vapore viene fatta a mezzo di valvole dagli estremi del cilindro, mentre lo scarico avviene dalla parte centrale ed è comandato dallo stantuffo stesso, che è molto lungo e che in fine di corsa scopre una corona di luci praticata nella sezione mediana del cilindro, attraverso le quali il vapore si scarica nel condensatore. La fase di compressione dura per quasi tutta la corsa di ritorno ed è molto pronunciata. In alcune recentissime applicazioni a macchine ad alta pressione (fig. 17) sono state aggiunte anche due valvole di scarico ausiliarie che vengono azionate quando la macchina funziona senza condensatore. Allo stesso scopo si possono disporre due corone di luci di scarico (sistema Hunger), una a metà corsa circa e una in fine, controllate da valvole di cui si apre prima la più lontana e si chiude per seconda la più vicina al fondo della camera, riducendo in tal modo la compressione in misura molto notevole.

Inversione del senso di rotazione. - Nelle macchine fisse raramente occorre l'inversione del senso di rotazione (in alcuni laminatoi, gru, e pochi altri casi). Nelle macchine adibite alla locomozione, invece, l'invertibilità del senso di rotazione è la norma e viene ottenuta con adatti dispositivi applicati alla distribuzione.

Con le distribuzioni a cassetto, si è già notato che per ottenere l'inversione del senso di rotazione occorre che l'eccentricità che comanda il cassetto segua, invece di precedere, la manovella motrice di 90° + δ, se l'ammissione avviene per gli spigoli esterni del cassetto e viceversa, se l'ammissione avviene per gli spigoli interni. Questa circostanza offre il modo di realizzare un dispositivo di inversione molto semplice, che però è applicato solo su macchine di piccolissima potenza e di funzionamento discontinuo, come argani di bordo, verricelli, e simili.

Se infatti in una distribuzione a cassetto cilindrico equilibrato si inverte il senso del flusso del vapore (scambiando l'ammissione con lo scarico per mezzo di una apposita valvola a più vie) restando fisso il calettamento della eccentricità, si ottiene l'inversione del movimento. È però necessario per la simmetria che lo sporto esterno sia uguale a quello interno, il che implica una espansione molto ridotta e quindi un rendimento basso, ammissibile solo nelle applicazioni citate.

Un'altra disposizione, anch'essa molto semplice, e che data dai primordî della locomozione a vapore, consiste nel predisporre due sistemi di comando del cassetto, uno per la rotazione diretta e uno per quella inversa, facendo in modo, con adatte trasmissioni cinematiche, che sia l'uno sia l'altro possa esser fatto agire sul cassetto. Prototipo di queste disposizioni è la distribuzione Stephenson (fig. 18). sull'albero motore O sono calettati due eccentrici OE ed OE₁: il primo precede la manovella motrice di 90 + δ, il secondo la segue dello stesso angolo. Le due bielle degli eccentrici EF, E₁ F₁ si articolano alle estremità di un glifo foggiato a settore circolare, dentro il quale si impegna in M lo stelo del cassetto. Il glifo è sospeso per il suo centro N, o per un altro punto, a una manovella RQ, ruotando la quale, il settore si alza o si abbassa. È evidente che portando a coincidere il punto F con M si avrà la rotazione diretta a massima ammissione, portando invece a coincidere con M il punto F₁ si avrà la rotazione inversa a massima ammissione, mentre nelle posizioni intermedie si otterranno diversi gradi di ammissione sia a marcia avanti sia a marcia indietro.

La distribuzione Stephenson ha avuto molte varianti: in quella di Gooch il settore ha la concavità rivolta verso il cilindro ed è fisso, mentre lo stelo del cassetto porta una bielletta lunga quanto il raggio del settore, la quale viene sollevata o abbassata. Nella distribuzione di Allan il glifo è rettilineo e lo stelo del cassetto si prolunga in una bielletta. Bielletta e glifo vengono mossi in senso inverso essendo sospesi alle due estremità di un bilancere, per ottenere la regolazione e l'inversione.

Nella distribuzione di Walschärt (fig. 19) il moto del cassetto è ottenuto come risultante di due moti: uno in opposizione con quello dello stantuffo e uno in anticipo, o in ritardo, di 90°. Il primo è derivato dalla sbarretta NP solidale con la testa-croce, il secondo dall'eccentrico OE (di lunghezza ρ) calettato sull'asse motore O a 90° dalla manovella OM. La testa-croce comunica allo stelo del cassetto attraverso la leva QSR un movimento in opposizione con il proprio. Questo movimento si compone con quello impresso al fulcro S della leva stessa dall'eccentrico ρ, attraverso la biella EF, il settore FGHH′ e la biella LS, dando come risultante il moto corrispondente a una eccentricità ideale calettata in anticipo o in ritardo sulla manovella a seconda che la biella SL sia tenuta sul ramo HK del settore o su quello KH′. Il sistema si presta a fornire una larghissima scala di gradi di ammissione per la marcia nei due sensi, con anticipo lineare all'ammissione costante.

Vi è poi una serie di distribuzioni, chiamate radiali, o articolate, e usate principalmente sulle macchine marine, nelle quali il moto del cassetto è derivato da un unico eccentrico, ovvero da un punto intermedio della biella motrice. La fig. 20 dà lo schema della distribuzionee Hackworth che appartiene alla prima classe. Un eccentrico calettato a 180° dalla biella motrice aziona una biella EF che all'altro estremo è fissata ad un glifo radiale GG′ che può assumere tutte le posizioni entro un determinato settore, ruotando intorno al proprio centro A. La biella KL che aziona il cassetto è attaccata a un punto intermedio K della biella EF.

L'inversione del movimento si ottiene ruotando il glifo radiale GG′ avendosi moto diretto o inverso a seconda che F si trovi al disopra o al disotto della congiungente OA; il grado di ammissione è proporzionale all'angolo α e l'anticipo resta costante.