Les 5 types de machines à vapeur principales

Les différents types de machines à vapeur Ils ont subi de nombreux changements au cours de l'histoire et la technologie leur a permis d'évoluer de manière remarquable.

Essentiellement, ce sont des moteurs à combustion externe qui convertissent l'énergie thermique de la vapeur d'eau en énergie mécanique.

Ils ont été utilisés pour conduire des pompes, des locomotives, des navires et des tracteurs, étant à l’époque indispensable à la révolution industrielle. Actuellement, ils sont utilisés pour la production d'électricité 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 tourner les roues ou entraîne d'autres machines.

La première machine à vapeur a été conçue par Heron d'Alexandrie au premier siècle et s'appelait eolípila.

Il s'agissait d'une sphère creuse reliée à une chaudière à laquelle étaient attachés deux tubes courbes. La sphère était remplie d'eau qui bouillait, entraînant l'éjection de la vapeur par les tubes à grande vitesse, faisant tourner la balle.

Bien que l’eolipila n’ait pas d’utilité pratique, elle représente sans aucun doute la première application de la vapeur comme source de propulsion.

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 plongeur

Les machines à piston utilisent de la vapeur sous pression. Grâce à des pistons à double effet, la vapeur sous pression pénètre alternativement de chaque côté tandis que de l’autre, elle est relâchée ou envoyée dans un condenseur.

L'énergie est absorbée par une barre coulissante étanche contre la fuite de vapeur. Cette tige entraîne à son tour une bielle reliée à une manivelle pour transformer le mouvement alternatif en mouvement rotatif.

En outre, une autre manivelle est utilisée pour entraîner le mécanisme de la vanne, généralement par un mécanisme qui permet l'inversion du mouvement rotatif.

Lorsqu'une paire de pistons à double effet est utilisée, l'avance de la manivelle est décalée 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 son diamètre et son 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 vers le bas.

Cela génère une expansion supplémentaire de la pression relativement élevée libérée dans la première chambre.

De plus, la chambre intermédiaire se décharge dans la chambre finale, qui est à son tour relâchée 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 bateaux à vapeur, car le condensateur, lorsqu'il récupérait un peu de puissance, convertissait à nouveau la vapeur en eau pour la réutiliser dans la chaudière.

Les machines à vapeur terrestres pouvaient évacuer une grande partie de leur vapeur et se remplir d'une tour d'eau douce, mais ce n'était pas possible en mer.

Avant et pendant la Seconde Guerre mondiale, le moteur d’expansion était utilisé sur des véhicules marins qui n’avaient pas besoin d’être à grande vitesse. Cependant, lorsque plus de vitesse était nécessaire, il a été remplacé par la turbine à vapeur.

3- Moteur uniforme à débit unique

Un autre type de machine à piston est le moteur à flux uniforme ou uniforme. Ce type de moteur utilise de la vapeur qui ne coule que dans une direction dans chaque moitié du cylindre.

L'efficacité thermique est obtenue en ayant un gradient de température le long du cylindre. La vapeur pénètre toujours par les extrémités chaudes du cylindre et sort par les 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 vannes à queue (qui fonctionnent de manière similaire à celles utilisées dans les moteurs à combustion interne) entraînées par un arbre à cames.

Les soupapes d'admission s'ouvrent pour admettre de la vapeur lorsque le volume minimum d'expansion est atteint au début du mouvement.

A un moment précis du retour de la manivelle, la vapeur entre et l'entrée du bouchon est fermée, permettant l'expansion continue de la vapeur, activant le piston.

À la fin du mouvement, le piston découvrira un anneau de trous d'échappement autour du centre du cylindre.

Ces trous sont connectés au condenseur, abaissant la pression dans la chambre et 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 pale de type hélice sur leur bord extérieur.

Ces disques ou rotors mobiles alternent avec des anneaux ou des stators fixes, fixés à la structure de la turbine pour rediriger le flux de vapeur.

En raison de la grande vitesse de fonctionnement, de telles turbines sont normalement connectées 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 de maintenance et à réduire l'usure.

Les turbines à vapeur sont principalement utilisées dans les centrales de production d’électricité où leur vitesse de fonctionnement élevée constitue un avantage et leur volume relatif n’est pas un inconvénient.

Ils sont également utilisés dans les applications marines, stimulant les gros navires et les sous-marins. Pratiquement toutes les centrales nucléaires produisent de l'électricité en chauffant l'eau et en alimentant les turbines à vapeur.

5- Moteurs de propulsion

Il y a un moteur de propulsion sous-marine qui utilise de la vapeur à haute pression pour aspirer de l'eau par une prise à l'avant et l'éjecter à grande vitesse par l'arrière.

Lorsque la vapeur se condense dans l'eau, une onde de choc est créée qui expulse l'eau par derrière.

Pour améliorer l'efficacité du moteur, le moteur aspire l'air par un évent 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

1. Marshall Brain (2017). "Comment fonctionnent les moteurs à vapeur". Récupéré le 14 juin 2017 à science.howstuffworks.com.
2. New World Encyclopedia (2015). "Moteur à vapeur". Récupéré le 14 juin 2017 à newworldencyclopedia.org.
3. SOS Children (2008-2009). "Moteur à vapeur". Consulté le 14 juin 2017 à cs.mcgill.ca.
4. Woodford, Chris (2017). "Moteurs à vapeur" Récupéré le 14 juin 2017 à explainthatstuff.com.