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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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