Types de machines à vapeur

Schéma de la première machine à vapeur sur laquelle était basée la révolution industrielle. Source: Tico1516-Jejith, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons

Le différent Types de machines à vapeur Ils ont connu de nombreux changements à travers l'histoire. 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 stimuler les bombes, les locomotives, les navires et les tracteurs, étant essentiels à la révolution industrielle. Actuellement, ils sont utilisés pour la génération d'énergie électrique à l'aide de turbines à vapeur.

Un moteur à vapeur se compose d'une chaudière utilisée pour faire bouillir 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 retourner les roues ou de promouvoir une autre machinerie.

La première machine à vapeur a été conçue par Herón de Alejandría au premier siècle et a été nommée Eolipila. Il consistait en une sphère creuse reliée à une chaudière à laquelle deux tubes incurvés étaient fixés. La sphère était pleine d'eau bouillie, faisant expulser la vapeur par les tubes à grande vitesse, faisant tourner la balle.

Bien que l'Eolipila n'ait pas eu de but pratique, il représente certainement la première implémentation de Steam en tant que source de propulsion.

Cependant, la plupart des systèmes qui utilisent 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, il est libéré ou envoyé à un condenseur.

L'énergie est absorbée par une barre coulissante coulissante contre l'échappement à la vapeur. Cette tige, à son tour, active une bielle connectée à une manivelle pour convertir le mouvement alternatif en un mouvement rotatif.

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De plus, une autre manivelle est utilisée pour agir l'équipement de soupape, généralement à travers un mécanisme qui permet l'investissement du mouvement rotatif.

Lorsqu'une paire de pistons à double effet est utilisée, l'avance de la manivelle est déplacée à un angle de 90 degrés. Cela garantit que le moteur fonctionnera toujours, quelle que soit la position de la manivelle.

2. Moteurs d'extension multiples

Un autre type de machine à vapeur utilise plusieurs cylindres d'action simples qui augmentent progressivement son diamètre et leur mouvement. La vapeur à haute pression de la chaudière est utilisée pour augmenter le premier piston de plus petit diamètre.

Dans le mouvement ascendant, la vapeur partiellement élargie est opérée dans un deuxième cylindre qui commence son mouvement descendant. Cela génère une expansion supplémentaire de pression relativement élevée libérée dans la première caméra.

De plus, la chambre intermédiaire se décharge de la chambre finale, qui à son tour est rejetée dans un condenseur. Une modification de ce type de moteur intègre deux pistons plus petits dans la dernière caméra.

Le développement de ce type de moteur était important pour une utilisation dans les navires à vapeur, puisque le condenseur, récupérant un peu de l'énergie, a transformé à nouveau la vapeur en eau pour réutiliser la chaudière.

Les machines à vapeur terrestre pouvaient épuiser une grande partie de leur vapeur et remplir un château d'eau frais, mais en mer, ce n'était pas possible.

Avant et pendant la Seconde Guerre mondiale, le moteur d'extension a été utilisé dans des véhicules marins qui n'avaient pas besoin d'aller à grande vitesse. Cependant, lorsque plus de vitesse était nécessaire, elle a été remplacée par la turbine à vapeur.

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3. Moteur uniflow ou flux uniforme

Un autre type de piston est le moteur uniflow, ou flux uniforme. Ce type de moteur utilise une 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 entre toujours à travers les extrémités chaudes du cylindre et sort des ouvertures au centre de la glacière.

Cela se traduit par un chauffage et un refroidissement relatifs des murs du cylindre.

Dans les moteurs Uniflow, l'entrée à la vapeur est généralement contrôlée par des vannes à tige (qui fonctionnent similaires à celles utilisées dans les moteurs à combustion interne) exploitées par un arbre à cames.

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

À un moment précis du retour de la manivelle, la vapeur entre et l'entrée de la bague est fermée, permettant l'expansion continue de la vapeur, exploitant 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 se déplace vers le piston.

4. Turbines à vapeur

Les turbines à vapeur haute puissance utilisent une série de disques rotatifs qui contiennent une sorte de lames de type hélice à son bord extérieur. Ces disques mobiles ou rotors alternent avec des anneaux stationnaires ou des stators, fixés à la structure de la turbine pour rediriger le flux de vapeur.

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En raison de la vitesse de fonctionnement élevée, ces turbines sont normalement connectées à un engrenage de réduction pour conduire un autre mécanisme, comme l'hélice d'un 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 axe de sortie, ce qui contribue à des exigences de maintenance et d'usure plus faibles.

L'utilisation principale des turbines à vapeur est dans les stations de production d'électricité, où sa vitesse de fonctionnement élevée est un avantage et son volume relatif n'est pas un inconvénient.

Ils sont également utilisés dans les navires marins, faisant la promotion de grands navires et sous-marins. Pratiquement, toutes les centrales nucléaires génèrent de l'électricité en chauffant l'eau et l'alimentation des turbines à vapeur.

5. Moteurs de propulsion

Il existe un moteur de propulsion sous-marine qui utilise une vapeur à haute pression pour attirer de l'eau par une photo à l'avant, et l'expulser à grande vitesse par l'arrière.

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

Pour améliorer l'efficacité du moteur, cela attire l'air à travers un essoufflement devant le jet de vapeur, qui produit des bulles d'air et change la façon dont la vapeur est mélangée avec de l'eau.

Les références

1. Comment fonctionnent les moteurs à vapeur. Récupéré de la science.Workswork.com.
2. Machine à vapeur. Récupéré de newworldyclopedia.org.