- Principaux types de machines à vapeur
- 1- Machines à piston
- 2- Moteurs d'expansion multiples
- 3- Moteur à débit unique ou uniforme
- 4- Turbines à vapeur
- 5- Moteurs de propulsion
- Références
Les différents types de machines à vapeur ont subi de nombreux changements au cours de l'histoire et la technologie leur a continuellement permis d'évoluer de manière remarquable.
Essentiellement, les moteurs à vapeur sont des moteurs à combustion externe qui convertissent l'énergie thermique de la vapeur d'eau en énergie mécanique. Ils ont été utilisés pour alimenter des pompes, des locomotives, des navires et des tracteurs, étant à l'époque essentiels pour la révolution industrielle. Actuellement, ils sont utilisés pour la production d'énergie électrique à l'aide de turbines à vapeur.
Une machine à vapeur consiste en une chaudière utilisée pour faire bouillir de l'eau et produire de la vapeur. La vapeur se dilate et pousse un piston ou une turbine dont le mouvement fait le travail de faire tourner les roues ou d'entraîner d'autres machines.
La première machine à vapeur a été conçue par Heron d'Alexandrie au 1er siècle et s'appelait Eolipila. Il se composait d'une sphère creuse reliée à une chaudière à laquelle étaient attachés deux tubes courbes. La sphère était remplie d'eau bouillie, provoquant l'expulsion de la vapeur à travers les tubes à grande vitesse, faisant tourner la balle.
Bien que l'eolipila n'ait pas un but pratique, il représente sans aucun doute la première mise en œuvre de la vapeur comme source de propulsion.
Éolipien du héron
Cependant, la plupart des systèmes utilisant de la vapeur peuvent être divisés en deux types: les machines à piston et les turbines à vapeur.
Principaux types de machines à vapeur
1- Machines à piston
Les machines à piston utilisent de la vapeur sous pression. Grâce à des pistons à double effet, la vapeur sous pression entre alternativement de chaque côté tandis que de l'autre elle est libérée ou envoyée vers un condenseur.
L'énergie est absorbée par une glissière étanche contre la fuite de vapeur. Cette tige, à son tour, entraîne une bielle reliée à une manivelle pour convertir le mouvement alternatif en mouvement rotatif.
De plus, une autre manivelle est utilisée pour entraîner l'engrenage de soupape, généralement par le biais d'un mécanisme qui permet l'inversion du mouvement de rotation.
Lors de l'utilisation d'une paire de pistons à double effet, l'avance de la manivelle est décalée d'un angle de 90 degrés. Cela garantit que le moteur fonctionnera toujours, quelle que soit la position de la manivelle.
2- Moteurs d'expansion multiples
Un autre type de machine à vapeur utilise plusieurs cylindres à simple effet qui augmentent progressivement en diamètre et en mouvement. La vapeur haute pression de la chaudière est utilisée pour entraîner le premier piston de plus petit diamètre vers le bas.
Dans le mouvement ascendant, la vapeur partiellement expansée est entraînée dans un second cylindre qui commence son mouvement descendant. Cela génère une nouvelle expansion de la pression relativement élevée libérée dans la première chambre.
En outre, la chambre intermédiaire se décharge dans la chambre finale, qui à son tour est libérée dans un condenseur. Une modification de ce type de moteur intègre deux pistons plus petits dans la dernière chambre.
Le développement de ce type de moteur était important pour son utilisation dans les navires à vapeur, car le condenseur, en récupérant un peu de puissance, convertissait à nouveau la vapeur en eau pour sa réutilisation dans la chaudière.
Les machines à vapeur terrestres pouvaient épuiser une grande partie de leur vapeur et être remplies à partir d'un château d'eau douce, mais en mer, cela n'était pas possible.
Avant et pendant la Seconde Guerre mondiale, le moteur d'expansion était utilisé dans les véhicules marins qui n'avaient pas besoin d'aller à grande vitesse. Cependant, lorsque plus de vitesse était nécessaire, elle était remplacée par la turbine à vapeur.
3- Moteur à débit unique ou uniforme
Un autre type de machine à piston est le moteur à flux uniflow ou uniforme. Ce type de moteur utilise de la vapeur qui ne circule que dans un sens dans chaque moitié du cylindre.
L'efficacité thermique est obtenue en ayant un gradient de température à travers le cylindre. La vapeur entre toujours par les extrémités chaudes du cylindre et sort par des ouvertures au centre du refroidisseur.
Cela se traduit par une réduction du chauffage et du refroidissement relatifs des parois du cylindre.
Dans les moteurs uniflow, l'entrée de vapeur est généralement contrôlée par des soupapes à champignon (qui fonctionnent de la même manière que celles utilisées dans les moteurs à combustion interne) qui sont actionnées par un arbre à cames.
Les vannes d'entrée s'ouvrent pour admettre de la vapeur lorsque le volume d'expansion minimum est atteint au début du mouvement.
A un moment précis pendant le tour de manivelle, la vapeur entre et l'entrée du bouchon se ferme, permettant l'expansion continue de la vapeur, actionnant le piston.
En fin de course, le piston découvrira un anneau de trous d'échappement autour du centre du cylindre.
Ces trous sont reliés au condenseur, abaissant la pression dans la chambre provoquant une libération rapide. La rotation continue de la manivelle est ce qui déplace le piston.
4- Turbines à vapeur
Les turbines à vapeur à haute puissance utilisent une série de disques rotatifs qui contiennent une sorte de pales de type hélice sur leur bord extérieur. Ces disques ou rotors mobiles alternent avec des anneaux ou stators fixes, fixés à la structure de la turbine pour rediriger le flux de vapeur.
En raison de la vitesse de fonctionnement élevée, ces turbines sont normalement reliées à un réducteur pour entraîner un autre mécanisme tel qu'une hélice de navire.
Les turbines à vapeur sont plus durables et nécessitent moins d'entretien que les machines à piston. Ils produisent également des forces de rotation plus douces sur leur arbre de sortie, ce qui contribue à réduire les besoins d'entretien et l'usure.
Les turbines à vapeur sont principalement utilisées dans les centrales électriques où leur vitesse de fonctionnement élevée est un avantage et leur volume relatif n'est pas un inconvénient.
Ils sont également utilisés dans les applications marines, alimentant de gros navires et sous-marins. Pratiquement toutes les centrales nucléaires produisent de l'électricité en chauffant l'eau et en alimentant des turbines à vapeur.
5- Moteurs de propulsion
Il existe un moteur de propulsion sous-marin qui utilise de la vapeur haute pression pour aspirer de l'eau à travers une prise à l'avant et l'expulser à grande vitesse à l'arrière.
Lorsque la vapeur se condense sur l'eau, elle crée une onde de choc qui expulse l'eau par derrière.
Pour améliorer l'efficacité du moteur, le moteur aspire de l'air à travers un évent situé devant le jet de vapeur, ce qui crée des bulles d'air et modifie la façon dont la vapeur se mélange à l'eau.
Références
- Marshall Brain (2017). "Comment fonctionnent les moteurs à vapeur". Récupéré le 14 juin 2017 sur science.howstuffworks.com.
- Nouvelle encyclopédie mondiale (2015). "Machine à vapeur". Récupéré le 14 juin 2017 sur newworldencyclopedia.org.
- Enfants SOS (2008-2009). "Machine à vapeur". Récupéré le 14 juin 2017 sur cs.mcgill.ca.
- Woodford, Chris (2017). "Machines à vapeur". Récupéré le 14 juin 2017 sur explainthatstuff.com.