Les machines à vapeur peuvent être classées en deux types:
- Machine à vapeur à piston. Ce type de machine utilise un piston ou un piston couplé à un mécanisme de type bielle piston-vilebrequin. Dans ce type peut être.
- Moteur à vapeur à expansion multiple
- Moteur à débit uniforme ou à débit uniforme
- Machine à vapeur à turbine
Une machine à vapeur est un moteur à combustion externe capable de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique sur un axe rotatif. Cette énergie thermique profite de l'énergie contenue dans la vapeur d'eau à haute pression et température.
Nous considérons les machines à vapeur comme toutes ces machines qui transforment l'énergie thermique d'un fluide en énergie mécanique. En général, le fluide doit être préchauffé et la sortie de la machine à vapeur doit être refroidie pour répéter le processus.
Ces types de machines sont le résultat des améliorations apportées par James Watt à la machine Thomas Newcomen. Par la suite, la machine à vapeur, qui serait essentielle dans le développement de la première révolution industrielle.
Machine à vapeur à piston
Les moteurs à vapeur à piston sont les premiers moteurs à vapeur développés à l'aide d'un piston ou d'un piston couplé à un mécanisme de type bielle de piston de vilebrequin. À ce mécanisme, de la vapeur a été appliquée à haute pression et température synchronisée avec un ensemble de soupapes pour obtenir de l'énergie cinétique et, par conséquent, un mouvement mécanique.
Comment fonctionne une machine à vapeur à piston?
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 actionnée de manière synchrone par un mécanisme couplé au vilebrequin de la machine. Le mouvement de déplacement de la soupape de commande amène la chambre d'admission, où se trouve la vapeur d'alimentation, à communiquer alternativement avec la partie supérieure ou inférieure du piston.
La vapeur pousse le piston dans les deux sens pour faire tourner le vilebrequin. Dans le même temps, cette vanne de régulation établit une communication sur le côté opposé du piston, vers le conduit de sortie pour évacuer la vapeur froide et inutile à basse pression. La température et la pression de la vapeur de sortie ne sont pas suffisamment élevées pour continuer à profiter de son énergie dans ce type de machine.
Comment les meilleures performances sont-elles obtenues avec des machines à plusieurs étages?
Cette machine à vapeur élémentaire est très inefficace. La vapeur versée à l'extérieur est encore chaude et à une pression suffisante pour faire un travail plus utile. Des machines à plusieurs étages sont utilisées pour améliorer l'efficacité de ce type de machine à vapeur. Dans les machines à plusieurs étages, la vapeur perdue d'un étage est introduite dans un autre avec un piston plus grand pour utiliser davantage l'énergie qu'elle contient.
La vapeur d'un étage est introduite dans le suivant pour entraîner un piston de plus en plus grand. De cette façon, l'énergie de la vapeur de sortie finale a été pleinement exploitée.
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. Il faut considérer qu'à chaque fois la vapeur a moins de pression. L'augmentation de la taille du piston augmente sa surface. Selon les lois de la physique, la force de poussée est le produit de la pression, par zone de piston.
Dans les machines à pistons, nous mettons en évidence les types suivants:
- Moteur à vapeur à expansion multiple.
- Moteur à débit uniforme ou uniforme.
Comment fonctionne la machine à vapeur à expansion multiple?
La machine à vapeur à expansion multiple est un autre type de machine à vapeur. Ce moteur utilise plusieurs cylindres à simple effet. Chaque cylindre a un diamètre et un mouvement plus grands que le précédent.
Avec la vapeur haute pression de la chaudière, le premier piston, le piston de plus petit diamètre, est poussé vers le bas.
Dans le mouvement ascendant du premier piston, la vapeur partiellement détendue est actionnée à l'intérieur d'un deuxième cylindre qui commence son mouvement descendant.
L'abaissement du second piston génère une nouvelle expansion de la pression relativement élevée libérée dans la première chambre.
De plus, 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.
Les caractéristiques de ce type de machine à vapeur en ont fait un moteur optimal pour une utilisation sur des navires à vapeur. L'avantage était que le condenseur, en récupérant un peu d'énergie, reconvertissait la vapeur en eau qui pouvait être réutilisée dans la chaudière.
Les moteurs à vapeur terrestres cet avantage n'était pas si important. Les engins terrestres pouvaient épuiser une grande partie de leur vapeur et être rechargés à partir d'une tour d'eau douce, mais en mer, cela n'était pas possible.
Avant et pendant la Seconde Guerre mondiale, le moteur d'extension était utilisé dans des véhicules marins qui n'avaient pas besoin d'aller à grande vitesse. Cependant, lorsque plus de vitesse était requise, elle a été remplacée par la turbine à vapeur.
Comment fonctionne le moteur uniflow ou à flux régulier?
Un autre type de machine à piston est le moteur uniflow ou à débit uniforme. Ce type de moteur utilise de la vapeur qui ne circule que dans une seule direction dans chaque moitié du cylindre.
L'efficacité thermique de cette machine à vapeur 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 les ouvertures au centre du refroidisseur. De cette façon, le chauffage et le refroidissement relatifs des parois du cylindre sont réduits.
Dans les moteurs à vapeur uniflow, l'entrée de vapeur est généralement contrôlée par des soupapes à tige actionnées par un arbre à cames. Les soupapes à tige fonctionnent de manière similaire à celles utilisées dans les moteurs à combustion interne.
Les soupapes d'admission s'ouvrent pour admettre la vapeur lorsque le volume d'expansion minimum est atteint au début du mouvement.
À un certain moment dans le tour de la manivelle, la vapeur entre et l'entrée de la douille est fermée, permettant l'expansion continue de la vapeur. L'entrée de la vapeur permet d'actionner le piston en lui transmettant une certaine énergie cinétique.
A la fin du mouvement, le piston découvrira un anneau de trous d'échappement autour du centre du cylindre. Ces trous sont connectés au condenseur. Cette action fera baisser la pression dans la chambre, provoquant une libération rapide. La rotation continue de la manivelle est ce qui déplace le piston.
Machine à vapeur à turbine
Les principales utilisations des machines à vapeur à turbine sont:
- Production d'électricité. Les turbines ont une vitesse de fonctionnement élevée, ce qui les rend idéales pour entraîner un générateur électrique. Ces types de machines sont actuellement utilisés dans les centrales nucléaires ou les centrales thermiques. Moins fréquemment, ils sont également utilisés dans le domaine de l'énergie solaire dans les centrales solaires thermiques.
- Moteurs de propulsion marine: Il s'agit d'un moteur utilisé dans les sous-marins, qui utilise de la vapeur à haute pression pour faire passer l'eau par une entrée située à l'avant, puis l'expulser à grande vitesse par l'arrière.
Les vieilles machines à vapeur ont cédé la place aux turbines. Les moteurs à vapeur à turbine améliorent la durabilité, la sécurité, la simplicité relative et sont plus efficaces.
La turbine reçoit un jet de vapeur d'eau à haute pression et température. Ce jet de vapeur est convenablement incident sur une hélice avec des pales avec une certaine section. Lors du passage de la vapeur entre les pales de l'hélice, elle se dilate et se refroidit, délivrant de l'énergie et poussant les pales pour faire tourner l'hélice placée sur l'arbre 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 ou stators fixes, fixés à la structure de la turbine pour rediriger le flux de vapeur. Avec ce mécanisme, une vitesse de rotation très élevée est obtenue.
En raison de la vitesse élevée, les turbines sont normalement connectées à un réducteur pour convertir l'énergie cinétique en puissance. Le réducteur est connecté à un autre mécanisme tel qu'une hélice de navire.
Les turbines à vapeur nécessitent moins d'entretien et sont plus durables que les machines à piston. Les forces de rotation qu'ils produisent sont plus douces sur leur arbre de sortie, contribuant à moins d'usure et moins d'entretien.
Où sont utilisées les machines à vapeur à turbine?
Les turbines à vapeur sont principalement utilisées dans les centrales électriques. Dans ce type d'application, sa vitesse de fonctionnement élevée 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. Presque toutes les centrales nucléaires produisent de l'électricité en chauffant l'eau et en alimentant les turbines à vapeur.
Une autre application des turbines à vapeur est la propulsion de grands navires et sous-marins. Ces bateaux utilisent de la vapeur à haute pression pour faire passer l'eau à travers une entrée située à l'avant, puis l'expulser à grande vitesse par l'arrière.