vapeur, machine à.

vapeur, machine à. 1 PRÉSENTATION vapeur, machine à, dispositif mécanique utilisant la vapeur pour produire de l'énergie mécanique. Le principe de la machine à vapeur est la transformation de l'énergie calorifique de la vapeur en énergie mécanique, par détente et refroidissement de la vapeur dans un cylindre équipé d'un piston mobile. La vapeur nécessaire à la production d'énergie ou de chaleur est en général fournie par une chaudière. Les chaudières les plus simples sont constituées d'un récipient contenant de l'eau, qu'on chauffe de manière à obtenir de la vapeur saturante. Les systèmes usuels de chauffage domestique ont, généralement, une chaudière de ce type, mais les centrales à vapeur, utilisées pour la production industrielle d'énergie, ont une conception et des équipements auxiliaires plus complexes. Le rendement d'une machine à vapeur est souvent bas, et, pour cette raison, les machines à vapeur ont souvent été remplacées par des turbines à vapeur. 2 HISTORIQUE Le premier moteur à piston fut mis au point en 1690, par le physicien français Denis Papin, et fut utilisé pour le pompage de l'eau. La machine de Papin, plus qu'une curiosité, est une machine sommaire fonctionnant sous pression atmosphérique, la vapeur n'étant donc pas comprimée. Elle est constituée d'un unique cylindre qui sert également de chaudière. Une faible quantité d'eau est chauffée dans le cylindre jusqu'à sa transformation en vapeur. La pression de cette vapeur refoule un piston coulissant dans le cylindre. Après détente complète, on retire la source de chaleur du dessous du cylindre. Le cylindre se refroidit, la vapeur se condense et la pression de l'air sur la partie supérieure du piston le ramène en position basse. En 1698, l'ingénieur anglais Thomas Savery construisit une machine à vapeur munie de deux récipients de cuivre remplis alternativement par la vapeur d'une chaudière. La machine de Savery fut également utilisée pour le pompage de l'eau. Il en fut de même pour le moteur atmosphérique conçu en 1705 par l'inventeur anglais Thomas Newcomen. Ce dispositif est constitué d'un cylindre vertical et d'un piston à contrepoids. La vapeur admise dans le fond du cylindre à très faible pression provoque le déplacement du piston, avec l'aide du contrepoids, vers le haut du cylindre. À la fin du mouvement, une soupape s'ouvre automatiquement et pulvérise un jet d'eau froide dans le cylindre. L'eau condense la vapeur et la pression atmosphérique ramène le piston vers le bas du cylindre. Une bielle, fixée au bras du balancier reliant le piston et son contrepoids, actionne une pompe par un mouvement vertical alternatif. La machine de Newcomen a un faible rendement, mais elle suffisait au pompage de l'eau dans les mines de charbon. C'est en cherchant à apporter des améliorations à la machine de Newcomen, que l'ingénieur écossais James Watt réalisa une série d'inventions qui permirent la création de la machine à vapeur moderne. Watt conçut d'abord une machine intégrant une chambre séparée de condensation de la vapeur. Cette machine, brevetée en 1769, accroît considérablement le rendement de la machine de Newcomen, en évitant la perte de vapeur qui se produit à chaque alternance de chauffage et de refroidissement du cylindre. Dans la machine de Watt, le cylindre est isolé et reste à la température de la vapeur. La chambre de condensation séparée, refroidie par eau, est équipée d'une pompe qui aspire la vapeur du cylindre et l'envoie vers le condenseur. La pompe sert également à évacuer l'eau de la chambre de condensation. Watt fut à l'origine d'une autre grande innovation : l'utilisation de vapeur sous pression. Cela améliore considérablement le fonctionnement de la machine. Une des autres améliorations et inventions de Watt fut l'application du principe de la double action, dans lequel la vapeur est admise, alternativement, à chaque extrémité du cylindre pour chasser, puis refouler le piston. Il dota, aussi, ses machines de régulateurs à boules, actionnant une soupape, pour contrôler et maintenir, automatiquement, une vitesse constante de fonctionnement. Un autre développement important, dans le domaine de la machine à vapeur, fut l'introduction de machines fonctionnant sans condenseur. Bien que Watt ait connu le principe des machines sans condenseur, il fut incapable de perfectionner ce type de machines, probablement parce qu'il utilisait de la vapeur sous très basse pression. Au début du XIXe siècle, l'ingénieur britannique Richard Trevithick et l'inventeur américain Oliver Evans mirent au point des machines sans condenseur utilisant de la vapeur sous haute pression. Trevithick utilisa ce modèle de machine à vapeur pour équiper la première locomotive ferroviaire. Trevithick et Evans construisirent des véhicules routiers propulsés par la vapeur. À la même époque, les premières machines compound furent construites par l'ingénieur et inventeur britannique Arthur Woolf. Dans une machine compound, la vapeur sous haute pression alimente un cylindre ; puis, après détente, et par conséquent baisse de la pression, la vapeur est transportée vers un second cylindre, dans lequel se produit une nouvelle détente. La première machine de Woolf était munie de deux cylindres. Les modèles compound suivants étaient le siège de deux ou trois détentes. Les machines compound à deux ou trois cylindres ont un meilleur rendement que les précédentes, car la vapeur y cède toute son énergie potentielle. 3 MACHINES À VAPEUR MODERNES Le cycle de fonctionnement d'une machine à vapeur moderne est décrit sur les figures 1a à 1d. Sur la figure 1a, lorsque le piston est à l'extrémité gauche du cylindre, la vapeur admise dans le tiroir de distribution passe dans le cylindre, par la lumière à gauche du piston. La position du tiroir de distribution permet aussi à la vapeur utilisée à l'extrémité droite du cylindre de s'échapper par la lumière d'échappement. Le mouvement du piston entraîne un volant qui, à son tour, entraîne la bielle qui agit sur le tiroir de distribution. Les positions relatives du piston et du tiroir de distribution sont régies par les positions relatives de fixation du vilebrequin et de la bielle du tiroir de distribution sur le volant. Dans la seconde position, montrée sur la figure 1b, la vapeur du côté gauche du cylindre se détend et chasse le piston vers le centre du cylindre. Au même moment, la lumière se ferme, rendant le cylindre complètement étanche ; ni la vapeur du cylindre ni la vapeur autour du tiroir ne peuvent s'échapper. Lorsque le piston continue son mouvement vers la droite sous l'effet de la vapeur en détente, comme indiqué sur la figure 1c, la lumière à l'extrémité gauche du cylindre communique avec l'échappement par la soupape ; au même instant, la boîte à tiroir, qui contient la vapeur, communique avec l'extrémité droite du cylindre. Dans cette position, la machine est prête pour la seconde phase de son cycle à double action. Enfin, dans la quatrième position (figure 1d), la soupape ferme à nouveau les lumières des deux extrémités du cylindre, et le piston revient vers la gauche, chassé par la détente de la vapeur depuis la partie droite du cylindre. Le type de soupape présenté sur ces figures est le tiroir de distribution simple, qui est à la base de la plupart des soupapes utilisées dans les machines à vapeur modernes. Ces soupapes ont l'avantage d'être réversibles : leur position relative avec le piston peut évoluer par modification de l'excentricité de l'axe auquel elles sont reliées, comme indiqué sur la figure 2. Le tiroir de distribution a cependant de nombreux inconvénients, dont les plus importants sont les frottements et donc l'usure provoqués par la pression de la vapeur sur le dos de la soupape. Les soupapes des machines à vapeur ont donc souvent une forme cylindrique entourant complètement le piston, pour que la pression soit uniformément répartie sur toute la soupape et que les frottements soient ainsi minimisés. Le développement de ce type de soupape est attribué à l'inventeur et industriel américain George Henry Corliss. Dans d'autres types de tiroirs de distribution, la partie mobile de la soupape est conçue pour que la vapeur n'agisse pas directement sur le dos de la soupape. Le réglage de la liaison entre le piston de la machine et la soupape d'admission de la vapeur a une grande influence sur la puissance et le rendement de la machine. En variant, dans le cycle de la machine, le moment de l'admission de la vapeur dans le cylindre, il est possible de modifier le taux de compression et de détente dans le cylindre, et de modifier ainsi la puissance fournie par la machine. Les systèmes de distribution sont d'une importance toute particulière sur les locomotives à vapeur, pour lesquelles l'effort demandé à la machine varie considérablement : l'effort est à son maximum au départ de la locomotive, et moindre quand elle roule à pleine vitesse. Le volant est le complément important de tous les types de machines à vapeur ; il est actionné par la manivelle du piston. En raison de son inertie, le volant, habituellement en fonte lourde, met à disposition une puissance constante à partir des impulsions de puissance de la vapeur détendue dans le cylindre. Il permet ainsi à la machine de fournir un flux uniforme de puissance. Dans les machines à vapeur à un seul cylindre, il peut arriver que la machine s'arrête au moment où le piston se trouve juste à l'une des deux extrémités du cylindre. Dans ce cas, on dit que la machine est au point mort, et il est impossible de la démarrer. Pour éliminer ces points morts, les machines à vapeur sont souvent équipées de deux ou trois cylindres couplés. La manière la plus simple de coupler les deux cylindres d'une machine est de disposer les deux manivelles sur le volant comme indiqué sur la figure 3. Pour un meilleur équilibrage, il est aussi possible d'utiliser une machine à trois cylindres dans laquelle les manivelles forment entre elles un angle de 120°. Le couplage des machines élimine non seulement les difficultés au démarrage, mais augmente aussi la puissance et la fiabilité des machines. À la différence des machines classiques à un seul cylindre, le cylindre d'une machine compound reste constamment à la même température, ce qui améliore le rendement de la machine. On apporta encore des améliorations avec les machines mono-flux, qui utilisent le piston comme soupape, et dans lesquelles toutes les parties du cylindre restent approximativement à la même température quand la machine fonctionne. Dans les machines mono-flux, la vapeur se déplace toujours dans la même direction pendant l'admission dans le cylindre, la détente et l'échappement. Ce flux unidirectionnel est réalisé par l'emploi de deux ensembles de lumières d'alimentation à chaque extrémité du cylindre, associés à un seul ensemble de lumières d'échappement dans la paroi au centre du cylindre. Le flux de vapeur à travers les deux ensembles de lumières d'alimentation est contrôlé par des soupapes séparées. Le système est tellement avantageux que des machines l'utilisant étaient habituellement choisies pour les grosses installations, bien que leur coût initial soit considérablement plus élevé que celui des machines classiques. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.