Macchina a vapore

Macchina a vapore
con pistone a doppio effetto, con eccentrico

Modello costruito in Italia nel 1910 circa

M.M.T.A. - Invent. n. 128

Materiali: ottone e ferro, su basamento in piombo
Dimensioni: cm 10x14x26
Scala:

Un apparato motore navale a vapore consiste di due parti distinte: un generatore di vapore (caldaia) nel quale si produce il fluido necessario ad alimentare la motrice, e una macchina vera e propria, in cui l’energia del vapore aziona i meccanismi atti a far girare la ruota a pale o l’elica. Nel periodo iniziale della propulsione a vapore, le caldaie, di forma parallelepipeda, erano fatte con lamiere di rame e avevano dei tiranti interni per rinforzarne la struttura. Presto si cominciò a usare il ferro come materiale da costruzione, ma l’aspetto e le caratteristiche rimasero gli stessi. Le macchine più diffuse erano quelle orizzontali, che dovevano essere collocate per madiere sulle navi, in modo che i cilindri risultassero perpendicolari all’asse dell’elica. Le macchine inglesi del tipo “a fodero”, assai diffuse, non avevano testa a croce ma uno stantuffo a semplice effetto, che veniva guidato da un fodero cilindrico e aveva la biella articolata in un perno nella testa dello stantuffo, come i pistoni degli attuali motori a benzina. Dato che le navi dell’epoca portavano una sola elica, il cui asse doveva essere montato in corrispondenza della chiglia, la corsa degli stantuffi delle macchine era piuttosto corta. Un altro tipo di macchina molto popolare negli anni 1860 era quello a cilindri oscillati, detto anche di Penn, nel quale l’asta dello stantuffo era direttamente collegata alla manovella dell’asse e tutto il cilindro oscillava in dipendenza del movimento di quest’ultima. Per aumentare la corsa degli stantuffi, nelle macchine orizzontali fu introdotto il tipo “a biella di ritorno”, nel quale l’asta dello stantuffo era munita di testa a croce e di pattino; la biella, tuttavia, invece di andare in prosecuzione dell’asta, ritornava verso il cilindro, in quanto l’albero a manovelle era sistemato fra il cilindro e il pattino della testa a croce. Le macchine a cilindri oscillanti e a biella di ritorno avevano i cilindri “a doppio effetto”, nei quali il vapore agiva su entrambe le facce e non su una sola come nelle macchine a fodero. Per condensare il vapore di scarico, dopo che questo aveva lavorato nei cilindri, si usava iniettarvi dell’acqua di mare (condensatore a miscuglio). Perciò le caldaie venivano alimentate con acqua salmastra, il che rendeva particolamente gravosa la loro manutenzione. Nel decennio 1860-70 si ebbero diversi perfezionamenti sia alle caldaie sia alle macchine. Dalle caldaie parallelepipede si passò a quelle cilindriche, che permettevano di generare vapore a pressioni più elevate. Il progresso più notevole, però, fu quello che portò all’adozione dei condensatori a superficie, con il conseguente abbandono dell’acqua di mare per l’alimentazione delle caldaie, che in tal modo non si riempivano più di incrostazioni di sale e non esigevano particolari operazioni di pulizia. Il condensatore a superficie è un involucro contenente un fascio di tubi percorsi internamente da acqua fredda e lambiti esternamente dal vapore di scarico che, a contatto dei tubi, si condensa e ridiventa acqua. La possibilità di generare vapore ad alta pressione portò all’adozione delle macchine a duplice espansione, dette in inglese “compound”, nelle quali il vapore lavorava prima in un cilindro ad alta pressione e poi in un cilindro a bassa pressione, migliorando il rendimento generale. Le macchine continuavano a essere del tipo orizzontale, anche se a due cilindri. Ma grazie all’adozione della doppia elica, fu possibile avere cilindri con biella normale, anziché con biella di ritorno, perché le motrici potevano essere collocate più lateralmente di quelle azionanti una sola elica. Le macchine verticali, cioè con i cilindri e gli stantuffi disposti verticalmente e sostenuti da un’apposita incastellatura, introdotte alla metà degli anni 1870, costituirono un’altra tappa nell’evoluzione della propulsione navale. In precedenza la loro adozione era stata ostacolata dalla notevole altezza, che comportava uno spreco di spazio in favore dei locali macchine e a discapito della capacità di carico. Nelle navi da guerra il problema era quello di mantenere le sale motori al di sotto del ponte di protezione corazzato. L’ostacolo potè essere superato solo con l’aumento delle dimensioni medie dei bastimenti. Le macchine verticali, dette anche a cilindri rovesciati, erano più bilanciate di quelle orizzontali, in quanto il movimento delle aste e degli stantuffi avveniva in direzione verticale, il che permetteva di ottenere maggiori velocità per questi organi in moto alternativo e quindi maggiori velocità di rotazione per l’asse dell’elica. Intorno al 1885, le caldaie cilindriche a tubi di fiamma cominciarono a essere sostituite da quelle a tubi d’acqua: nelle prime vi era un grande involucro pieno d’acqua, all’interno del quale venivano sistemati i tubi contenenti i focolari e i tubi attraverso i quali passavano i prodotti di combustione caldi, provocando così la vaporizzazione dell’acqua; nelle seconde, invece, c’era una grande camera di combustione dove bruciava il carbone e attraverso la quale passavano i tubi contenenti l’acqua, la quale così evaporava molto più rapidamente, in quanto assorbiva una maggiore quantità di calore. Fra i primi modelli di caldaie di questo tipo vi furono le francesi Belleville, che riscossero un buon successo commerciale anche all’estero. Altri modelli seguirono, fra cui quello prodotto dall’inglese Yarrow, che aveva tre collettori: uno alto centrale e due bassi laterali, in mezzo ai quali erano posti i fasci di tubi simmetrici che costituivano la copertura inclinata della camera di combustione. Vennero poi le Niclausse, sempre francesi, le Babcock & Wilcox, americane e le Ansaldo italiane. Le macchine, ormai tutte a duplice espansione, iniziarono ad avere tre cilindri, uno di alta e due di bassa pressione, oppure uno di alta, uno di media e uno di bassa pressione. I condensatori del tipo a superficie venivano collocati in un involucro tubolare orizzontale, a lato dei cilindri della macchina.