Sciences et Techniques LES MACHINES À VAPEUR
Publié le 27/01/2019
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vapeur entre par l'autre côté du cylindre, forçant le piston à le parcourir en sens inverse. La vapeur du premier côté sort par un orifice d'échappement La vapeur est envoyée alternativement à chaque côté du cylindre et le côté opposé est automatiquement vidé ou rempli par la vapeur. Le cycle entier constitué par ces différents temps est contrôlé par une seule soupape en forme de O. Cette pièce va et vient pour réguler la fermeture et l'ouverture des orifices d'entrée et d'échappement. En revanche, les grandes machines ont des soupapes séparées pour chacun des côtés du piston.
Le vilebrequin
La translation alternative du piston est transformée en rotation grâce à la présence d'un ensemble constitué par une bielle et un vilebrequin. La bielle a pour effet d'actionner une grande roue (le «volant») qui transmettra sa force suivant l’utilisation. On utilise un vilebrequin (en forme de manivelle) quand le moteur comprend plusieurs pistons. Chaque piston transmet son mouvement au vilebrequin par le truchement d'une bielle et crée les conditions du mouvement rotatif.
Lorsque la vapeur se détend dans un cylindre, sa température baisse. On peut remarquer un phénomène similaire lorsque l’on utilise une bombe aérosol. L'expansion du gaz propulseur refroidit le récipient. Dans une machine à double effet, la détente de la vapeur refroidit le bout du cylindre où la vapeur est prête à pénétrer. Si la vapeur subit une forte détente, le refroidissement crée une perte de chaleur excessive. Ces déperditions peuvent être compensées par une surconsommation de combustible, mais au détriment de l’efficacité de la machine. On peut être amené à réduire la différence de température en limitant tout simplement la pression de la vapeur entrant dans le cylindre.
Ainsi, il se produit une expansion de moindre ampleur La puissance de la machine s’en trouve cependant diminuée.
Les machines compound
On peut résoudre ce problème de puissance en laissant la vapeur se détendre dans des cylindres à pressions différentes.
En sortie du cylindre à haute pression, la vapeur passe alors dans un cylindre à basse pression où elle subit une dernière détente. Les machines à triple expansion sont des machines munies de cylindres haute, moyenne et basse pression. Elles furent utilisées fréquemment sur les bateaux.
Les machines à simple flux
Ces machines ont été conçues afin de réduire les pertes de chaleur par l'abaissement des échanges de température dans le cylindre. La vapeur est admise à une extrémité du cylindre et, après avoir agi sur le piston, est évacuée par un orifice
LA TURBINE COMPOUND
direction du flux de vapeur
sortie vapeur aubes mobiles (rotor)
aubes fixes (stator)
entrée vapeur
haute pression au centre
LA TURBINE MONOETAGE
basse pression à la périphérie
PRINCIPE DE LA TURBINE À FLUX RADIAL
À Cette turbine
(en haut) est munie de deux séries d'étages de pression, quatre étages basse pression et six étages haute pression. Dans la turbine à admission radiale (en bas), le flux de vapeur pénètre par le centre.
1. Soupape d'admission de commande centrale
2. Soupape d'admission
3. Tuyère de vapeur
4. Réducteur de vitesse
5. Aubes mobiles (1\" jeu)
6. Aubes mobiles (2' jeu)
7. Aubes fixes intermédiaires
8. Sortie de vapeur
9. Admission de vapeur
d'échappement placé au milieu. Ainsi, le cylindre reste relativement chaud aux extrémités et plus froid au centre, là où il est en contact avec la vapeur en expansion. ll n'y a donc pas de différences de température importantes, en conséquence de quoi les pertes de chaleur sont particulièrement minimisées.
Les turbines
La principale pièce en mouvement dans une turbine est le rotor, sur lequel sont fixées des aubes (ailettes très rapprochées). Le rotor est placé dans un carter muni d'aubages fixes destinées à diriger le flux de vapeur.
«
Les
machines à vapeur
réchauffé pour que la vapeur puisse à nouveau
pousser le piston (sinon elle se serait condensée
immédiatement).
La machine de Watt
James Watt (1736-181 9), ingénieur d'origine écos
saise, résolut le problème de la condensation.
Dans sa machine (1769), la vapeur passait dans
une chambre de condensation séparée.
Comme le
cylindre n'était pas alternativement refroidi et
réchauffé, les pertes de chaleur étaient relative
ment faibles.
Cette machine était aussi plus rapide
car beaucoup de vapeur pouvait être admise dans
le cylindre dès que le piston retournait à sa posi
tion initiale.
Ces améliorations- et d'autres- dues
à Watt permirent à la machine à vapeur de
connaître une large gamme d'applications.
Les premières machines à vapeur trouvèrent
leurs utilisations initiales dans différents secteurs
industriels, notamment les mines et le textile.
Ensuite, elles gagnèrent le secteur des transports.
Elles équipèrent tout d'abord de puissantes loco-
motives à vapeur qui ont révolutionné le voyage
terrestre, puis rapidement le transport maritime.
La vapeur apporta en outre la puissance motrice
aux imprimeries, au filage et au tissage des tex
tiles et aux buanderies industrielles.
Les agricul
teurs utilisèrent des tracteurs à vapeur pour les
labours.
Il y eut également des applications
moins importantes mais plus quotidiennes comme
les aspirateurs et les machines foraines.
Le mouvement rotatif
Les machines à vapeur les plus anciennes produi
saient un mouvement alternatif (va-et-vient) par
la translation des pistons dans des cylindres.
Ce
mouvement pouvait alors être transformé en rota
tion par certains mécanismes.
Les turbines à
vapeur produisent directement un mouvement
rotatif.
Plusieurs inventeurs firent des essais sur
les turbines au cours du XIX" siècle.
Mais ce n'est
qu'en 1884 qu'une telle machine vraiment effi
cace vit le jour.
Elle fut conçue par l'ingénieur
anglais Charles Parsons (1854-1 931).
Pendant des L'histoire de
la machine à vapeur révèle un
phé nomène inté ressant, celui des
conditions historiques qui ont présidé à son
invention.
Ces machines se développèrent
dès la fin du xv11' et au xv111' siècle grâce à
des ingéni eurs et des mécanic iens
talentueux, mais sans qu'une théorie de la
• machine à feu • n'ait été élaborée, puis
diffusée dans les mili eux scientifiques.
Ce
n'est qu'au début du x1x• siècle avec le
Une machine ..,.._
à vapeur haute
pression bicylindre,
qui avait été installée
sur un petit cargo
avant de connaÎtre
les honneurs
d'un musée
britannique.
On reconnaÎt
dans la partie
basse le système
de bielles et de
vilebrequins.
des
physiciens
� Un pionnier
de l'industrie
automobile française,
le marquis de Dion.
On le voit ici
au guidon du tricycle
à vapeur qu'il
construisit en 1897.
Le moteur, à l'avant,
entraÎne les roues
arrière.
années,
les turbines de Parsons furent utilisées
pour la propulsion des navires et l'entraînement
de générateurs.
La conversion de l'énergie
Dans tous les dispositifs décrits ici, la chaleur du
combustible est utilisée pour bouillir de l'eau,
générant 1600 fois son volume en vapeur.
Dans
un moteur à piston, la vapeur se détend dans un
cylindre pour faire mouvoir un piston.
Dans une
turbine, la vapeur entraîne des rotors en forme de
pales de ventilateur (les aubages).
Ce sont des
moteurs à combustion externe.
La chaleur est
produite hors du cylindre pour y être amenée,
alors que dans un moteur à combustion interne
comme celui des autos -, la chaleur, et le gaz qui
pousse le piston, sont produits dans le cylindre.
Dans les centrales thermiques traditionnelles, la
chaleur est en général produite par la combus
tion du charbon ou du pétrole.
Dans les centrales
nucléaires, elle est produite par des réactions
issues de la fission nucléaire.
Le double effet
Dans une machine à vapeur simple, la vapeur
n'agit que sur un des côtés du piston.
Mais, dans
la plupart des machines, les deux côtés sont utili
sés pour produire de l'énergie mécanique.
En
premier lieu, la vapeur est admise d'un côté du
piston, le poussant en avant.
Dans un second
temps, la vapeur est admise de l'autre côté, pous
sant le piston en sens inverse.
Ce type de moteurs
est donc appelé «à double effet••.
Le cycle com
mence lorsque la vapeur entre dans le cylindre
par un orifice d'entrée.
L'orifice se ferme alors et
la vapeur se détend, agissant sur le piston.
Puis la.
»
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