Train à vapeur

Machine à vapeur

Machine à vapeur
industrielle 

Types de moteurs à vapeur

Types de moteurs à vapeur

Les moteurs à vapeur sont des dispositifs mécaniques capables de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique dans un axe de rotation. Cette énergie thermique tire parti de l'énergie contenue dans la vapeur d'eau à haute pression et température.

Nous considérons les machines à vapeur toutes ces machines qui transforment l'énergie thermique d'un fluide en énergie mécanique. En général, le fluide doit être préchauffé et à la sortie de la machine à vapeur, il doit être refroidi pour répéter le processus.

Les machines à vapeur peuvent être classées dans ces deux types:

  • Moteur à vapeur à piston
  • Turbine à vapeur

Machine à vapeur à plongeur

Les machines à vapeur à pistons sont les premières machines à vapeur développées à l'aide d'un piston ou d'un piston couplé à un mécanisme de type vilebrequin à tige de piston. Ce mécanisme a été appliqué à la vapeur à haute pression et la température synchronisée avec un ensemble de soupapes pour obtenir une énergie cinétique et, par conséquent, un mouvement mécanique.

La vapeur d'eau est générée dans un générateur de vapeur tel qu'une chaudière. La vapeur est introduite dans une chambre où se trouve une vanne de régulation. Cette soupape de commande est entraînée de manière synchronisée par un mécanisme couplé au vilebrequin de la machine. Le mouvement de déplacement de la soupape de commande amène la chambre d'entrée, où la vapeur d'alimentation est, à communiquer alternativement à la partie supérieure ou inférieure du piston. La vapeur pousse le piston dans les deux sens pour faire tourner le vilebrequin. En même temps, cette soupape de commande établit la communication du côté opposé du plongeur, au conduit de sortie pour évacuer la vapeur froide et à basse pression inutile. La température et la pression de la vapeur de sortie ne sont pas assez élevées pour continuer à utiliser son énergie dans ce type de machine.

Cette machine à vapeur élémentaire est très inefficace. La vapeur évacuée vers l'extérieur est encore chaude et sous une pression suffisante pour faire un travail plus utile. Pour améliorer l'efficacité de ce type de machine à vapeur, des machines à plusieurs étages sont utilisées. Dans les machines à plusieurs étages, les vapeurs résiduaires d'une étape sont introduites dans une autre avec un piston plus gros pour exploiter davantage l'énergie qu'elles contiennent.

La vapeur d'une étape est présentée ci-après pour entraîner un piston de plus en plus gros. De cette manière, l'énergie de la sortie de vapeur finale a été maximisée.

Cette augmentation de la taille du piston est nécessaire pour que chaque étage de la machine à vapeur puisse fournir approximativement la même force motrice. Nous devons considérer que chaque fois que la vapeur a moins de pression. Augmenter la taille du piston augmente sa surface. Selon les lois de la physique, la force de poussée est le produit de la pression, par la surface du piston.

Dans les machines à piston, nous mettons en évidence les types suivants:

Moteur à vapeur à détente multiple

Moteur à vapeur à plongeur

La machine à vapeur à détente multiple est un autre type de machine à vapeur. Ce moteur utilise plusieurs cylindres d'action simple. Chaque cylindre a un diamètre et un mouvement plus grands que le précédent.

Avec la vapeur à haute pression de la chaudière, le premier piston est entraîné, le piston ayant le plus petit diamètre vers le bas.

Dans le mouvement ascendant du premier piston, la vapeur partiellement expansée est entraînée dans un deuxième cylindre qui commence son mouvement vers le bas.

L'abaissement du deuxième piston 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 incorpore deux pistons plus petits dans la dernière chambre.

Les caractéristiques de ce type de machine à vapeur en ont fait un moteur optimal pour les navires à vapeur. L'avantage était que le condensateur, récupérant un peu de puissance, transformait la vapeur en eau qui pouvait être réutilisée dans la chaudière.

Les moteurs à vapeur terrestres cet avantage n'était pas si important. Les machines à terre pourraient épuiser une grande partie de leur vapeur et être remplies d'une tour d'eau douce, mais en mer, ce n'était pas une difficulté supplémentaire.

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, il a été remplacé par la turbine à vapeur.

Moteur à écoulement uniforme ou uniforme

Un autre type de machine à piston est le moteur à écoulement uniforme ou uniforme. Ce type de moteur utilise de la vapeur qui ne s'écoule que dans une direction sur chaque moitié du cylindre.

L'efficacité thermique de cette machine à vapeur est obtenue en ayant un gradient de température le long du cylindre. La vapeur entre toujours par les extrémités chaudes du cylindre et sort par les ouvertures au centre du refroidisseur.

De cette manière, le chauffage et le refroidissement relatifs des parois du cylindre sont réduits.

Dans les moteurs à vapeur uniformes, l'entrée de vapeur est généralement contrôlée par des soupapes à tige entraînées par un arbre à cames. Les vannes à tige fonctionnent de la même manière que celles utilisées dans les moteurs à combustion interne.

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

A un certain moment du retour de la manivelle, la vapeur entre et l'entrée du bouchon est fermée, permettant l'expansion continue de la vapeur. L'entrée de vapeur permet le fonctionnement du piston en transmettant une certaine énergie cinétique.

A la fin du mouvement, le piston va découvrir une couronne de trous d'échappement autour du centre du cylindre. Ces trous sont connectés au condenseur. Cette action abaissera la pression dans la chambre provoquant un relâchement rapide. La rotation continue de la manivelle est ce qui fait bouger le piston.

Turbine à vapeur

Turbine à vapeur Les turbines à vapeur sont la prochaine étape de l'évolution des machines à piston.

Les vieilles machines à vapeur ont cédé la place aux turbines. Les moteurs à vapeur des turbines améliorent leur durabilité, leur sécurité, leur simplicité relative et sont plus efficaces. Dans la turbine, un jet de vapeur d'eau à haute pression et température. Ce jet de vapeur est convenablement frappé sur une hélice avec des pales d'une certaine section. Lors du passage de la vapeur entre les pales de l'hélice, celui-ci se dilate et refroidit en délivrant l'énergie et en poussant les pales pour faire tourner l'hélice placée sur l'axe de sortie de la turbine.

Les turbines à vapeur de grande 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 fixes ou des stators, fixés à la structure de la turbine pour rediriger le flux de vapeur.

Avec ce mécanisme, une très grande vitesse de rotation est obtenue. En raison de la vitesse élevée, les turbines sont normalement connectées à un réducteur pour convertir l'énergie cinétique en énergie. Le réducteur est relié à un autre mécanisme tel que l'hélice d'un navire.

Les turbines à vapeur nécessitent moins d'entretien et sont plus durables que les machines à pistons. Les forces de rotation qu'ils produisent sont plus douces à leur arbre de sortie, ce qui contribue à moins d'usure et moins d'entretien.

L'utilisation principale des turbines à vapeur est dans les centrales électriques. Dans ce type d'application, sa grande vitesse de fonctionnement est un avantage et son volume relatif n'est pas un inconvénient. Dans les domaines des centrales thermiques et de l'énergie nucléaire, ce type de machine à vapeur est utilisé. Pratiquement toutes les centrales nucléaires produisent de l'électricité en chauffant l'eau et en alimentant les turbines à vapeur.

Une autre application des moteurs à vapeur à turbine est la conduite des grands navires et des sous-marins.

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Dernier examen: 16 novembre 2017

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