Quel constructeur de machines à vapeur a formé un partenariat réussi avec Matthew Boulton ?
James Watt
En 1781, James Watt a breveté une machine à vapeur produisant un mouvement de rotation continu. Les moteurs de dix chevaux de Watt permettaient d'alimenter une large gamme de machines de fabrication. Les moteurs pourraient être installés partout où l'on pouvait obtenir de l'eau, du charbon ou du bois de chauffage. En 1883, des moteurs pouvant produire 10 000 ch étaient devenus réalisables. La machine à vapeur stationnaire était un élément clé de la révolution industrielle, permettant aux usines de s’implanter là où l’énergie hydraulique n’était pas disponible. Les moteurs atmosphériques de Newcomen et Watt étaient gros par rapport à la quantité d'énergie qu'ils produisaient, mais les moteurs à vapeur à haute pression étaient suffisamment légers pour être utilisés sur des véhicules tels que les moteurs de traction et les locomotives ferroviaires. * James Watt, en 1781, a breveté une machine à vapeur qui produisait un mouvement de rotation continu avec une puissance d'environ . C'était le premier type de machine à vapeur à utiliser de la vapeur à une pression juste supérieure à la pression atmosphérique pour entraîner le piston à l'aide d'un vide partiel. C’était une amélioration du moteur de Newcomen. L'étape majeure suivante s'est produite lorsque James Watt a développé (1763-1775) une version améliorée du moteur de Newcomen, avec un condenseur séparé. Les premiers moteurs de Boulton et Watt utilisaient deux fois moins de charbon que la version améliorée de Newcomen par John Smeaton. La comparaison des performances était basée sur un essai soigneusement mené en 1778. Les premiers moteurs de Newcomen et Watt étaient « atmosphériques ». Ils étaient alimentés par la pression de l'air poussant un piston dans le vide partiel généré par la condensation de la vapeur, au lieu de la pression de la vapeur en expansion. Les cylindres du moteur devaient être grands car la seule force utilisable agissant sur eux était due à la pression atmosphérique. Le régulateur centrifuge a été adopté par James Watt pour être utilisé sur une machine à vapeur en 1788 après que le partenaire de Watt, Boulton, en ait vu un sur l'équipement d'un moulin à farine que Boulton & Watt étaient en train de construire.
Une machine à vapeur est une machine thermique qui effectue un travail mécanique en utilisant la vapeur comme fluide de travail.
Les moteurs à vapeur sont des moteurs à combustion externe, dans lesquels le fluide de travail est séparé des produits de combustion. Des sources de chaleur sans combustion telles que l’énergie solaire, l’énergie nucléaire ou l’énergie géothermique peuvent être utilisées. Le cycle thermodynamique idéal utilisé pour analyser ce processus est appelé cycle de Rankine. Au cours du cycle, l'eau est chauffée et se transforme en vapeur dans une chaudière fonctionnant à haute pression. Lorsqu'il est détendu à travers des pistons ou des turbines, un travail mécanique est effectué. La vapeur sous pression réduite est ensuite condensée et renvoyée dans la chaudière.
Dans l'usage général, le terme machine à vapeur peut faire référence soit aux installations à vapeur intégrées (y compris les chaudières, etc.) telles que les locomotives à vapeur et les moteurs portables, soit aux machines à piston ou à turbine seules, comme dans la machine à poutre et la machine à vapeur stationnaire. moteur. Les appareils spécialisés tels que les marteaux à vapeur et les batteurs de pieux à vapeur dépendent de la pression de vapeur fournie par une chaudière séparée.
L’utilisation de l’eau bouillante pour produire un mouvement mécanique remonte à plus de 2 000 ans, mais les premiers appareils n’étaient pas pratiques. L'inventeur espagnol Jerónimo de Ayanz y Beaumont a obtenu le premier brevet pour une machine à vapeur en 1606., p.207 En 1698, Thomas Savery a breveté une pompe à vapeur qui utilisait de la vapeur en contact direct avec l'eau pompée. La pompe à vapeur de Savery utilisait de la vapeur condensée pour créer un vide et aspirer de l'eau dans une chambre, puis appliquait de la vapeur sous pression pour pomper davantage l'eau. Le moteur atmosphérique de Thomas Newcomen fut le premier véritable moteur à vapeur commercial utilisant un piston et fut utilisé en 1712 pour le pompage dans une mine.
En 1781, James Watt a breveté une machine à vapeur produisant un mouvement de rotation continu. Les moteurs de dix chevaux de Watt permettaient d'alimenter une large gamme de machines de fabrication. Les moteurs pourraient être installés partout où l'on pouvait obtenir de l'eau, du charbon ou du bois de chauffage. En 1883, des moteurs pouvant produire 10 000 ch étaient devenus réalisables. La machine à vapeur stationnaire était un élément clé de la révolution industrielle, permettant aux usines de s’implanter là où l’énergie hydraulique n’était pas disponible. Les moteurs atmosphériques de Newcomen et Watt étaient gros par rapport à la quantité d'énergie qu'ils produisaient, mais les moteurs à vapeur à haute pression étaient suffisamment légers pour être utilisés sur des véhicules tels que les moteurs de traction et les locomotives ferroviaires.
Les moteurs à vapeur à piston alternatif sont restés la source d'énergie dominante jusqu'au début du 20e siècle, lorsque les progrès dans la conception des moteurs électriques et des moteurs à combustion interne ont progressivement entraîné le remplacement des moteurs à vapeur à mouvement alternatif (à piston) dans l'usage commercial et l'ascendant de la vapeur. turbines dans la production d’électricité. Étant donné que la grande majorité de la production électrique mondiale est produite par des moteurs à vapeur de type turbine, « l'ère de la vapeur » se poursuit avec des niveaux d'énergie bien supérieurs à ceux du début du 19e siècle.
Histoire
Premières conceptions et modifications
* L'éolipile (également connue sous le nom de machine à vapeur) décrite par Héros d'Alexandrie au 1er siècle après JC est considérée comme la première machine à vapeur enregistrée. Le couple était produit par les jets de vapeur sortant de la turbine.
* Thomas Savery, en 1698, a breveté la première machine à vapeur pratique à pression atmosphérique de . Il n'y avait ni piston ni pièce mobile, seulement des robinets. Il s'agissait d'un camion de pompiers, sorte de siphon thermique, dans lequel la vapeur était admise dans un récipient vide puis condensée. Le vide ainsi créé servait à aspirer l’eau du puisard situé au fond de la mine. Le "camion de pompiers" n'était pas très efficace et ne pouvait fonctionner au-delà d'une profondeur limitée d'environ .
* Thomas Newcomen, en 1712, développa la première machine à vapeur à piston commercialement réussie. Son principe était de condenser la vapeur dans un cylindre, provoquant ainsi la pression atmosphérique pour entraîner un piston et produire un travail mécanique.
* James Watt, en 1781, a breveté une machine à vapeur qui produisait un mouvement de rotation continu avec une puissance d'environ . C'était le premier type de machine à vapeur à utiliser de la vapeur à une pression juste supérieure à la pression atmosphérique pour entraîner le piston à l'aide d'un vide partiel. C’était une amélioration du moteur de Newcomen.
Depuis le début du XVIIIe siècle, la puissance de la vapeur a été appliquée à diverses utilisations pratiques. Au début, il alimentait des pompes alternatives, mais à partir des années 1780, des moteurs rotatifs (ceux qui convertissent le mouvement alternatif en mouvement rotatif) ont commencé à apparaître, entraînant des machines d'usine telles que des mules tournantes et des métiers à tisser mécaniques. Au tournant du XIXe siècle, le transport à vapeur sur mer et sur terre a commencé à faire son apparition, devenant de plus en plus dominant au fil du siècle.
On peut dire que les moteurs à vapeur ont été la force motrice de la révolution industrielle et ont été largement utilisés à des fins commerciales pour entraîner des machines dans les usines, les usines et les mines ; alimenter les stations de pompage ; et propulser des appareils de transport tels que des locomotives ferroviaires, des navires, des bateaux à vapeur et des véhicules routiers. Leur utilisation en agriculture a entraîné une augmentation des terres disponibles pour la culture. Il y a eu à un moment ou à un autre des tracteurs agricoles à vapeur, des motos (sans grand succès) et même des automobiles comme le Stanley Steamer.
Le poids des chaudières et des condenseurs rend généralement le rapport puissance/poids d'une centrale à vapeur inférieur à celui des moteurs à combustion interne. Pour les applications mobiles, la vapeur a été largement supplantée par les moteurs à combustion interne ou les moteurs électriques. Cependant, la majeure partie de l'énergie électrique est produite à l'aide de centrales à turbine à vapeur, de sorte qu'indirectement, l'industrie mondiale dépend toujours de l'énergie à vapeur. Les préoccupations récentes concernant les sources de combustible et la pollution ont suscité un regain d'intérêt pour la vapeur, à la fois comme composant des processus de cogénération et comme moteur principal. C’est ce qu’on appelle le mouvement Advanced Steam.
Premières expériences
L'histoire de la machine à vapeur remonte au premier siècle après JC ; la première machine à vapeur rudimentaire enregistrée étant l'éolipile décrite par le mathématicien grec Héros d'Alexandrie. Au cours des siècles suivants, les quelques « moteurs » à vapeur connus étaient, comme l'éolipile, « De Architectura » : chapitre VI (paragraphe 2) des « Dix livres d'architecture » de Vitruve (1er siècle avant JC), publié le 17 juin , 08 [http://penelope.uchicago.edu/Thayer/E/Roman/Texts/Vitruvius/1*.html] consulté le 07/07/2009, des dispositifs essentiellement expérimentaux utilisés par les inventeurs pour démontrer les propriétés de la vapeur. Un dispositif rudimentaire de turbine à vapeur a été décrit par Taqi al-DinAhmad Y Hassan (1976). Taqi al-Din et le génie mécanique arabe, p. 34-35. Institut d'histoire des sciences arabes, Université d'Alep. en 1551 et par Giovanni Branca en 1629. Jerónimo de Ayanz y Beaumont a reçu des brevets en 1606 pour cinquante inventions alimentées à la vapeur, dont une pompe à eau pour drainer les mines inondées. Denis Papin, un réfugié huguenot, a réalisé des travaux utiles sur le digesteur à vapeur en 1679 et a utilisé pour la première fois un piston pour soulever des poids en 1690.
Moteurs de pompage
Le premier appareil commercial fonctionnant à la vapeur était une pompe à eau, développée en 1698 par Thomas Savery. Il utilisait la condensation de la vapeur pour créer un vide qui était utilisé pour faire monter l'eau par le bas, puis il utilisait la pression de la vapeur pour la faire monter plus haut. Les petits moteurs étaient efficaces, mais les modèles plus gros posaient problème. Ils se sont avérés n'avoir qu'une hauteur de levage limitée et étaient sujets aux explosions de chaudières. Il a été utilisé dans les mines, les stations de pompage et pour alimenter les roues hydrauliques utilisées pour alimenter les machines textiles. Une caractéristique intéressante du moteur Savery était son faible coût. Bento de Moura Portugal a introduit une ingénieuse amélioration de la construction de Savery « pour la rendre capable de fonctionner toute seule », comme le décrit John Smeaton dans les Philosophical Transactions publiées en 1751. Elle a continué à être fabriquée jusqu'à la fin du XVIIIe siècle. On savait qu'un moteur fonctionnait encore en 1820.
Machines à vapeur à pistons
Le premier véritable moteur commercialement réussi, dans la mesure où il pouvait générer de l'énergie et la transmettre à une machine, fut le moteur atmosphérique, inventé par Thomas Newcomen vers 1712. Il s'agissait d'une amélioration par rapport à la pompe à vapeur de Savery, utilisant un piston comme proposé par Papin. Le moteur de Newcomen était relativement inefficace et était dans la plupart des cas utilisé pour pomper de l'eau. Cela fonctionnait en créant un vide partiel en condensant la vapeur sous un piston dans un cylindre. Il était utilisé pour drainer les chantiers miniers à des profondeurs jusqu'alors impossibles, et également pour fournir une alimentation en eau réutilisable pour entraîner les roues hydrauliques dans les usines situées loin d'une « tête » appropriée. L'eau qui avait passé sur la roue était pompée vers un réservoir de stockage au-dessus de la roue.
En 1720, Jacob Leupold décrivit une machine à vapeur à haute pression à deux cylindres. L'invention a été publiée dans son ouvrage majeur "Theatri Machinarum Hydraulicarum". Le moteur utilisait deux pistons lourds pour assurer le mouvement d’une pompe à eau. Chaque piston était soulevé par la pression de la vapeur et ramené à sa position initiale par gravité. Les deux pistons partageaient une vanne rotative commune à quatre voies connectée directement à une chaudière à vapeur.
L'étape majeure suivante s'est produite lorsque James Watt a développé (1763-1775) une version améliorée du moteur de Newcomen, avec un condenseur séparé. Les premiers moteurs de Boulton et Watt utilisaient deux fois moins de charbon que la version améliorée de Newcomen par John Smeaton. La comparaison des performances était basée sur un essai soigneusement mené en 1778. Les premiers moteurs de Newcomen et Watt étaient « atmosphériques ». Ils étaient alimentés par la pression de l'air poussant un piston dans le vide partiel généré par la condensation de la vapeur, au lieu de la pression de la vapeur en expansion. Les cylindres du moteur devaient être grands car la seule force utilisable agissant sur eux était due à la pression atmosphérique.
Watt a continué à développer son moteur, en le modifiant pour fournir un mouvement de rotation adapté à la conduite des machines d'usine. Cela a permis d’implanter les usines à l’écart des rivières et a encore accéléré le rythme de la révolution industrielle.
Moteurs haute pression
Le brevet de Watt a empêché d'autres de fabriquer des moteurs à haute pression et composés. Peu de temps après l'expiration du brevet de Watt en 1800, Richard Trevithick et, séparément, Oliver Evans en 1801 introduisirent des moteurs utilisant de la vapeur à haute pression ; Trevithick a obtenu son brevet de moteur à haute pression en 1802. Ceux-ci étaient beaucoup plus puissants pour une taille de cylindre donnée que les moteurs précédents et pouvaient être suffisamment petits pour les applications de transport. Par la suite, les développements technologiques et les améliorations des techniques de fabrication (entraînés en partie par l'adoption de la machine à vapeur comme source d'énergie) ont abouti à la conception de moteurs plus efficaces qui pourraient être plus petits, plus rapides ou plus puissants, selon l'application envisagée.
Le moteur Cornish a été développé par Trevithick et d'autres dans les années 1810. Il s'agissait d'un moteur à cycle composé qui utilisait largement de la vapeur à haute pression, puis condensait la vapeur à basse pression, ce qui le rendait relativement efficace. Le moteur Cornish avait un mouvement et un couple irréguliers tout au long du cycle, le limitant principalement au pompage. Les moteurs de Cornouailles étaient utilisés dans les mines et pour l'approvisionnement en eau jusqu'à la fin du 19e siècle.
Moteur stationnaire horizontal
Les premiers constructeurs de machines à vapeur stationnaires considéraient que les cylindres horizontaux seraient sujets à une usure excessive. Leurs moteurs étaient donc disposés avec l'axe du piston vertical. Avec le temps, la disposition horizontale est devenue plus populaire, permettant d'installer des moteurs compacts mais puissants dans des espaces plus petits.
Le point culminant du moteur horizontal était la machine à vapeur Corliss, brevetée en 1849, qui était un moteur à contre-courant à quatre soupapes avec des soupapes d'admission et d'échappement de vapeur séparées et une coupure automatique de vapeur variable. Lorsque Corliss a reçu la médaille Rumford, le comité a déclaré qu '«aucune invention depuis l'époque de Watt n'a autant amélioré l'efficacité de la machine à vapeur». En plus d'utiliser 30 % de vapeur en moins, il offrait une vitesse plus uniforme grâce à une coupure de vapeur variable, ce qui le rendait bien adapté à la fabrication, en particulier au filage du coton.
Véhicules routiers
Les premiers véhicules expérimentaux à vapeur sur route ont été construits à la fin du XVIIIe siècle, mais ce n'est qu'après que Richard Trevithick ait développé l'utilisation de la vapeur à haute pression, vers 1800, que les moteurs à vapeur mobiles sont devenus une proposition pratique. La première moitié du XIXe siècle a vu de grands progrès dans la conception des véhicules à vapeur et, dans les années 1850, il devenait viable de les produire sur une base commerciale. Ces progrès ont été freinés par la législation qui limitait ou interdisait l'utilisation de véhicules à vapeur sur les routes. Les améliorations de la technologie automobile se sont poursuivies des années 1860 aux années 1920. Les véhicules routiers à vapeur étaient utilisés pour de nombreuses applications. Au XXe siècle, le développement rapide de la technologie des moteurs à combustion interne a conduit à la disparition de la machine à vapeur en tant que source de propulsion de véhicules sur une base commerciale, et relativement peu d'entre elles sont restées utilisées au-delà de la Seconde Guerre mondiale. Beaucoup de ces véhicules ont été acquis par des passionnés à des fins de préservation, et de nombreux exemplaires existent encore. Dans les années 1960, les problèmes de pollution atmosphérique en Californie ont donné lieu à une brève période d'intérêt pour le développement et l'étude des véhicules à vapeur comme moyen possible de réduire la pollution. Hormis l'intérêt des amateurs de vapeur, des répliques occasionnelles de véhicules et des technologies expérimentales, aucun véhicule à vapeur n'est actuellement en production.
Moteurs marins
Vers la fin du XIXe siècle, les moteurs composés sont devenus largement utilisés. Les moteurs composés évacuaient la vapeur dans des cylindres successivement plus grands pour accueillir des volumes plus élevés à des pressions réduites, offrant ainsi une efficacité améliorée. Ces étapes étaient appelées expansions, les moteurs à double et triple expansion étant courants, en particulier dans le transport maritime où l'efficacité était importante pour réduire le poids du charbon transporté. Les moteurs à vapeur sont restés la source d'énergie dominante jusqu'au début du 20e siècle, lorsque les progrès dans la conception des moteurs électriques et des moteurs à combustion interne ont progressivement entraîné le remplacement des moteurs à vapeur à mouvement alternatif (à piston), la navigation au 20e siècle s'appuyant sur la vapeur. turbine.
Locomotives à vapeur
Au fur et à mesure que le développement des machines à vapeur progressait au XVIIIe siècle, diverses tentatives furent faites pour les appliquer à l'usage routier et ferroviaire. En 1784, William Murdoch, un inventeur écossais, construisit un prototype de locomotive routière à vapeur. Un premier modèle fonctionnel de locomotive à vapeur a été conçu et construit par le pionnier des bateaux à vapeur John Fitch aux États-Unis, probablement dans les années 1780 ou 1790.
Sa locomotive à vapeur utilisait des roues intérieures à aubes guidées par des rails ou des voies.
La première locomotive à vapeur ferroviaire à grande échelle a été construite par Richard Trevithick au Royaume-Uni et, le 21 février 1804, le premier voyage ferroviaire au monde a eu lieu alors que la locomotive à vapeur anonyme de Trevithick transportait un train le long du tramway depuis Pen-y-darren. forges, près de Merthyr Tydfil à Abercynon dans le sud du Pays de Galles. La conception incorporait un certain nombre d'innovations importantes, notamment l'utilisation de vapeur à haute pression, ce qui réduisait le poids du moteur et augmentait son efficacité. Trevithick visita la région de Newcastle plus tard en 1804 et les chemins de fer des mines du nord-est de l'Angleterre devinrent le principal centre d'expérimentation et de développement de locomotives à vapeur.
Trevithick a poursuivi ses propres expériences en utilisant un trio de locomotives, concluant avec Catch Me Who Can en 1808. Quatre ans plus tard seulement, la locomotive bicylindre à succès Salamanca de Matthew Murray a été utilisée par le chemin de fer à crémaillère et pignon à rails de Middleton. En 1825, George Stephenson construisit la locomotion pour le chemin de fer de Stockton et Darlington. Ce fut le premier chemin de fer public à vapeur au monde, puis en 1829, il construisit le Rocket qui fut inscrit et remporta les Rainhill Trials. Le Liverpool and Manchester Railway a ouvert ses portes en 1830, utilisant exclusivement la vapeur pour les trains de voyageurs et de marchandises.
Les locomotives à vapeur ont continué à être fabriquées jusqu'à la fin du XXe siècle dans des pays comme la Chine et l'ex-Allemagne de l'Est (où la DR Class 52.80 a été produite).
Turbines à vapeur
La dernière évolution majeure de la conception des machines à vapeur fut l’utilisation de turbines à vapeur à partir de la fin du XIXe siècle. Les turbines à vapeur sont généralement plus efficaces que les moteurs à vapeur à piston alternatif (pour des puissances supérieures à plusieurs centaines de chevaux), comportent moins de pièces mobiles et fournissent la puissance de rotation directement plutôt que via un système de bielle ou un moyen similaire. Les turbines à vapeur ont pratiquement remplacé les moteurs alternatifs dans les centrales électriques au début du 20e siècle, où leur efficacité, leur vitesse plus élevée adaptée au service du générateur et leur rotation fluide étaient des avantages. Aujourd’hui, la majeure partie de l’énergie électrique est fournie par des turbines à vapeur. Aux États-Unis, 90 % de l’énergie électrique est ainsi produite à partir de diverses sources de chaleur. Les turbines à vapeur ont été largement utilisées pour la propulsion des grands navires pendant la majeure partie du 20e siècle.
Développement actuel
Bien que la machine à vapeur alternative ne soit plus largement utilisée dans le commerce, diverses entreprises explorent ou exploitent le potentiel de ce moteur comme alternative aux moteurs à combustion interne. La société suédoise Energiprojekt AB a progressé dans l'utilisation de matériaux modernes pour exploiter la puissance de la vapeur. Le rendement de la machine à vapeur d'Energiprojekt atteint environ 27 à 30 % sur les moteurs à haute pression. Il s'agit d'un moteur 5 cylindres à une seule étape (sans composé) avec vapeur surchauffée et consomme env. 4 kg de vapeur par kWh.
Composants et accessoires des machines à vapeur
Il existe deux éléments fondamentaux d'une centrale à vapeur : la chaudière ou générateur de vapeur et le « groupe moteur », appelé lui-même « machine à vapeur ». Les machines à vapeur stationnaires situées dans des bâtiments fixes peuvent avoir la chaudière et le moteur situés dans des bâtiments séparés, à une certaine distance les uns des autres. Pour une utilisation portable ou mobile, comme les locomotives à vapeur, les deux sont montés ensemble.
Le moteur alternatif largement utilisé se composait généralement d'un cylindre en fonte, d'un piston, d'une bielle et d'une poutre ou d'une manivelle et d'un volant d'inertie, ainsi que de diverses liaisons. La vapeur était alternativement fournie et évacuée par une ou plusieurs vannes. Le contrôle de la vitesse était soit automatique, à l'aide d'un régulateur, soit par une vanne manuelle. Le moulage du cylindre contenait des orifices d'alimentation en vapeur et d'échappement.
Les moteurs équipés d'un condenseur sont un type distinct de ceux qui rejettent dans l'atmosphère.
D'autres composants sont souvent présents ; des pompes (comme un injecteur) pour alimenter la chaudière en eau pendant le fonctionnement, des condenseurs pour faire recirculer l'eau et récupérer la chaleur latente de vaporisation, et des surchauffeurs pour élever la température de la vapeur au-dessus de son point de vapeur saturée, et divers mécanismes pour augmenter la température. tirage pour les foyers. Lorsque du charbon est utilisé, un mécanisme d'alimentation à chaîne ou à vis et son moteur d'entraînement ou moteur peuvent être inclus pour déplacer le combustible d'un bac d'approvisionnement (trémie) vers la chambre de combustion. Voir : Chauffeur mécanique
Source de chaleur
La chaleur nécessaire pour faire bouillir l'eau et fournir de la vapeur peut provenir de diverses sources, le plus souvent de la combustion de matériaux combustibles avec un apport d'air approprié dans un espace fermé (appelé diversement chambre de combustion, foyer). Dans certains cas, la source de chaleur est un réacteur nucléaire, l’énergie géothermique, l’énergie solaire ou la chaleur résiduelle d’un moteur à combustion interne ou d’un processus industriel. Dans le cas de machines à vapeur miniatures ou jouets, la source de chaleur peut être un élément chauffant électrique.
Chaudières
Les chaudières sont des récipients sous pression qui contiennent de l'eau à bouillir et une sorte de mécanisme permettant de transférer la chaleur à l'eau afin de la faire bouillir.
Les deux méthodes les plus courantes pour transférer de la chaleur à l’eau sont :
# chaudière à tubes d'eau – l'eau est contenue ou circule dans un ou plusieurs tubes entourés de gaz chauds
# chaudière à tubes de fumée – l'eau remplit partiellement un récipient en dessous ou à l'intérieur duquel se trouve une chambre de combustion ou un four et des tubes de fumée à travers lesquels circulent les gaz chauds
Les chaudières à tubes de fumée étaient le principal type utilisé pour la vapeur à haute pression au début (pratique typique des locomotives à vapeur), mais elles ont été dans une large mesure remplacées par des chaudières à tubes d'eau plus économiques à la fin du 19e siècle pour la propulsion marine et les grandes applications stationnaires.
Une fois transformées en vapeur, de nombreuses chaudières augmentent encore la température de la vapeur, transformant la « vapeur humide » en « vapeur surchauffée ». Cette utilisation de la surchauffe évite la condensation de la vapeur au sein du moteur et permet un rendement nettement supérieur.
Unités motrices
Dans une machine à vapeur, un piston ou une turbine à vapeur ou tout autre dispositif similaire pour effectuer un travail mécanique prend un apport de vapeur à haute pression et température et donne un apport de vapeur à une pression et une température plus basses, en utilisant autant de différence de vapeur d'énergie possible pour effectuer des travaux mécaniques.
Ces « unités motrices » sont souvent appelées « machines à vapeur ». Ils fonctionneront également à l’air comprimé ou à d’autres gaz.
Évier froid
Comme pour tous les moteurs thermiques, une quantité considérable de chaleur perdue à relativement basse température est produite et doit être éliminée.
Le puits froid le plus simple consiste à évacuer la vapeur vers l’environnement. Ceci est souvent utilisé sur les locomotives à vapeur, car la vapeur libérée est évacuée par la cheminée afin d'augmenter le tirage du feu, ce qui augmente considérablement la puissance du moteur, mais réduit l'efficacité.
Parfois, la chaleur perdue est elle-même utile et, dans ces cas, un rendement global très élevé peut être obtenu. Par exemple, les systèmes de production combinée de chaleur et d'électricité (CHP) utilisent la vapeur résiduaire pour le chauffage urbain.
Là où la cogénération n’est pas utilisée, les turbines à vapeur des centrales électriques fixes utilisent des condenseurs de surface comme puits froid. Les condenseurs sont refroidis par l'écoulement de l'eau des océans, des rivières, des lacs et souvent par des tours de refroidissement qui évaporent l'eau pour éliminer l'énergie de refroidissement. L’eau chaude condensée qui en résulte est ensuite pompée jusqu’à la pression et renvoyée à la chaudière. Une tour de refroidissement de type sec est similaire à un radiateur d'automobile et est utilisée dans les endroits où l'eau est coûteuse. La chaleur résiduelle peut également être éjectée par les tours de refroidissement par évaporation (humides) en utilisant le cycle d'eau rejeté vers l'extérieur qui évapore une partie du flux dans l'air. Les tours de refroidissement présentent souvent des panaches visibles dus à l'eau évaporée qui se condense en gouttelettes transportées par l'air chaud. Les tours de refroidissement par évaporation nécessitent moins de débit d'eau que le refroidissement « à passage unique » par l'eau d'une rivière ou d'un lac ; une centrale électrique au charbon de 700 mégawatts peut utiliser environ 3 600 mètres cubes d'eau d'appoint chaque heure pour le refroidissement par évaporation, mais en aurait besoin d'environ vingt fois plus si elle était refroidie par l'eau d'une rivière. Dans tous les cas, l'eau de la centrale à vapeur, qui doit rester pure, est séparée de l'eau de refroidissement ou de l'air, et une fois que la vapeur basse pression se condense en eau, elle est renvoyée à la chaudière.
Pompe à eau
Le cycle de Rankine et la plupart des machines à vapeur pratiques disposent d'une pompe à eau pour recycler ou compléter l'eau de la chaudière, afin qu'elles puissent fonctionner en continu. Les chaudières utilitaires et industrielles utilisent généralement des pompes centrifuges à plusieurs étages ; cependant, d'autres types sont utilisés. Un autre moyen de fournir de l'eau d'alimentation de chaudière à basse pression est un injecteur, qui utilise un jet de vapeur généralement fourni par la chaudière. Les injecteurs sont devenus populaires dans les années 1850 mais ne sont plus largement utilisés, sauf dans des applications telles que les locomotives à vapeur. C'est la pressurisation de l'eau qui circule dans la chaudière à vapeur qui permet d'élever l'eau à des températures bien supérieures à 100 °C du point d'ébullition de l'eau à une pression atmosphérique, et ainsi d'augmenter l'efficacité du cycle de vapeur.
Monitorage et contrôle
Pour des raisons de sécurité, presque toutes les machines à vapeur sont équipées de mécanismes de surveillance de la chaudière, comme un manomètre et un voyant pour surveiller le niveau d'eau.
De nombreux moteurs, fixes et mobiles, sont également équipés d'un régulateur pour réguler la vitesse du moteur sans intervention humaine.
L’instrument le plus utile pour analyser les performances des machines à vapeur est l’indicateur de la machine à vapeur. Les premières versions étaient utilisées en 1851, mais l'indicateur le plus performant a été développé pour l'inventeur et fabricant de moteurs à grande vitesse Charles Porter par Charles Richard et exposé à l'Exposition de Londres en 1862. L'indicateur de machine à vapeur trace sur papier la pression dans le cylindre tout au long de la durée de vie. cycle, qui peut être utilisé pour repérer divers problèmes et calculer la puissance développée. Il était couramment utilisé par les ingénieurs, les mécaniciens et les inspecteurs des assurances. L'indicateur moteur peut également être utilisé sur les moteurs à combustion interne. Voir l'image du diagramme de l'indicateur ci-dessous (dans la section Types d'unités motrices).
Gouverneur
Le régulateur centrifuge a été adopté par James Watt pour être utilisé sur une machine à vapeur en 1788 après que le partenaire de Watt, Boulton, en ait vu un sur l'équipement d'un moulin à farine que Boulton & Watt étaient en train de construire.
 Le régulateur ne pouvait pas réellement maintenir une vitesse définie, car il assumerait une nouvelle vitesse constante en réponse aux changements de charge. Le régulateur était capable de gérer des variations plus petites telles que celles provoquées par la charge thermique fluctuante de la chaudière. En outre, il y avait une tendance à l’oscillation à chaque changement de vitesse. En conséquence, les moteurs équipés uniquement de ce régulateur n'étaient pas adaptés aux opérations nécessitant une vitesse constante, comme la filature du coton. Le régulateur a été amélioré au fil du temps et, associé à une coupure de vapeur variable, un bon contrôle de la vitesse en réponse aux changements de charge était possible vers la fin du 19e siècle.
Configuration du moteur
Moteur simple
Dans un moteur simple, la charge de vapeur ne traverse qu’un seul cylindre. Il est ensuite rejeté directement dans l'atmosphère ou dans un condenseur. À mesure que la vapeur se dilate en passant dans un moteur à haute pression, sa température baisse car aucune chaleur n'est ajoutée au système ; c'est ce qu'on appelle la dilatation adiabatique et cela fait que la vapeur entre dans le cylindre à haute température et sort à plus basse température. Cela provoque un cycle de chauffage et de refroidissement du cylindre à chaque course, ce qui est source d'inefficacité.
À mesure que la course d'un moteur monocylindre augmente dans le but d'extraire plus de travail de la vapeur à chaque course, une plus grande quantité de paroi du cylindre est exposée et plus de chaleur est perdue, ce qui entraîne une diminution de l'efficacité d'un moteur à longue course.
Moteurs composés
Une méthode permettant de réduire l'ampleur de la perte d'énergie d'un très long cylindre a été inventée en 1804 par l'ingénieur britannique Arthur Woolf, qui a breveté son moteur composé haute pression Woolf en 1805. Dans le moteur composé, la vapeur haute pression provenant de la chaudière se dilate dans un cylindre à haute pression (HP), puis entre dans un ou plusieurs cylindres à basse pression (LP) suivants. L'expansion complète de la vapeur se produit désormais sur plusieurs cylindres et, à mesure que moins de parois de cylindre sont exposées, par unité de volume de vapeur dans chaque cylindre, moins de chaleur est perdue par la vapeur dans chacun. Cela réduit l'ampleur du chauffage et du refroidissement des cylindres, augmentant ainsi l'efficacité du moteur. En échelonnant l'expansion dans plusieurs cylindres, les variations de couple peuvent être réduites. Pour obtenir un travail égal à partir d'un cylindre à basse pression, il faut un volume de cylindre plus grand car cette vapeur occupe un plus grand volume. Par conséquent, l’alésage, et souvent la course, sont augmentés dans les cylindres basse pression, ce qui donne lieu à des cylindres plus gros.
Les moteurs à double expansion (généralement appelés composés) dilataient la vapeur en deux étapes. Les paires peuvent être dupliquées ou le travail du grand cylindre basse pression peut être divisé avec un cylindre haute pression s'échappant dans l'un ou l'autre, donnant une disposition à 3 cylindres où le diamètre du cylindre et du piston est à peu près le même, créant ainsi des masses alternatives. plus facile à équilibrer.
Les composés bicylindres peuvent être disposés comme suit :
* Composés croisés – Les cylindres sont côte à côte.
* Composés tandem – Les cylindres sont bout à bout, entraînant une bielle commune
* Composés d'angle – Les cylindres sont disposés en V (généralement à un angle de 90°) et entraînent une manivelle commune.
Avec les composés bicylindres utilisés dans les travaux ferroviaires, les pistons sont reliés aux manivelles comme pour un bicylindre simple à 90° déphasés les uns par rapport aux autres (en quart). Lorsque le groupe à double expansion est dupliqué, produisant un composé à 4 cylindres, les pistons individuels du groupe sont généralement équilibrés à 180°, les groupes étant réglés à 90° les uns par rapport aux autres. Dans un cas (le premier type de mélange Vauclain), les pistons travaillaient dans la même phase entraînant une traverse et une manivelle communes, là encore réglées à 90° comme pour un moteur bicylindre. Avec la configuration composée à 3 cylindres, les manivelles LP étaient soit réglées à 90° et celle HP à 135° par rapport aux deux autres, ou dans certains cas, les trois manivelles étaient réglées à 120°.
L'adoption de la composition était courante pour les unités industrielles, pour les moteurs routiers et presque universelle pour les moteurs marins après 1880 ; il n'était pas universellement populaire dans les locomotives ferroviaires où il était souvent perçu comme compliqué. Cela est dû en partie à l'environnement d'exploitation ferroviaire difficile et à l'espace limité offert par le gabarit de chargement (en particulier en Grande-Bretagne, où la composition n'a jamais été courante et n'a pas été utilisée après 1930). Cependant, bien que jamais majoritaire, il était populaire dans de nombreux autres pays.
Plusieurs moteurs d'expansion
Il s'agit d'une extension logique du moteur composé (décrit ci-dessus) pour diviser l'expansion en plusieurs étapes supplémentaires afin d'augmenter l'efficacité. Le résultat est le moteur d’expansion multiple. De tels moteurs utilisent trois ou quatre étages de détente et sont respectivement appelés moteurs à triple et quadruple détente. Ces moteurs utilisent une série de cylindres de diamètre progressivement croissant. Ces cylindres sont conçus pour diviser le travail en parts égales pour chaque étape d'expansion. Comme pour le moteur à double détente, si l'espace est limité, deux cylindres plus petits peuvent être utilisés pour l'étage basse pression. Les moteurs à expansion multiple avaient généralement les cylindres disposés en ligne, mais diverses autres formations étaient utilisées. À la fin du 19e siècle, le « système » d’équilibrage Yarrow-Schlick-Tweedy était utilisé sur certains moteurs marins à triple expansion. Les moteurs YST répartissaient les étages de détente basse pression entre deux cylindres, un à chaque extrémité du moteur. Cela a permis au vilebrequin d'être mieux équilibré, ce qui a donné lieu à un moteur plus fluide et à réponse plus rapide qui fonctionnait avec moins de vibrations. Cela a rendu le moteur 4 cylindres à triple expansion populaire auprès des grands paquebots (comme la classe olympique), mais il a finalement été remplacé par le moteur à turbine pratiquement sans vibrations.
L'image de droite montre une animation d'un moteur à triple expansion. La vapeur traverse le moteur de gauche à droite. Le coffre à soupapes de chacun des cylindres se trouve à gauche du cylindre correspondant.
Les machines à vapeur terrestres pouvaient évacuer une grande partie de leur vapeur, car l'eau d'alimentation était généralement facilement disponible. Avant et pendant la Première Guerre mondiale, le moteur à expansion dominait les applications marines où une vitesse élevée des navires n'était pas essentielle. Elle a cependant été remplacée par l'invention britannique de la turbine à vapeur où la vitesse était requise, par exemple dans les navires de guerre, tels que les cuirassés dreadnought, et les paquebots. de 1905 fut le premier grand navire de guerre à remplacer la technologie éprouvée du moteur alternatif par la toute nouvelle turbine à vapeur.
Types d'unités motrices
Piston alternatif
Dans la plupart des moteurs à pistons alternatifs, la vapeur inverse sa direction d'écoulement à chaque course (contre-courant), entrant et sortant du cylindre par le même orifice. Le cycle complet du moteur occupe un tour de manivelle et deux courses de piston ; le cycle comprend également quatre événements – admission, expansion, échappement, compression. Ces événements sont contrôlés par des vannes fonctionnant souvent à l'intérieur d'un coffre à vapeur adjacent au cylindre ; les vannes distribuent la vapeur en ouvrant et fermant les orifices de vapeur communiquant avec les extrémités du cylindre et sont entraînées par un mécanisme de vannes, dont il existe de nombreux types.
Les engrenages de soupapes les plus simples donnent des événements de longueur fixe pendant le cycle du moteur et font souvent tourner le moteur dans un seul sens. La plupart ont cependant un mécanisme d'inversion qui peut en outre fournir un moyen d'économiser de la vapeur à mesure que la vitesse et l'élan sont gagnés en « raccourcissant progressivement le seuil » ou plutôt en raccourcissant l'événement d'admission ; cela allonge proportionnellement la période d’expansion. Cependant, comme une seule et même vanne contrôle généralement les deux débits de vapeur, une courte coupure à l'admission affecte négativement les périodes d'échappement et de compression qui devraient idéalement toujours être maintenues assez constantes ; si l'échappement est trop bref, la totalité de la vapeur d'échappement ne peut pas évacuer le cylindre, l'étouffant et provoquant une compression excessive (« rebond »).
Dans les années 1840 et 1850, des tentatives ont été faites pour résoudre ce problème au moyen de divers engrenages de soupape brevetés avec un détendeur à coupure variable séparé monté à l'arrière du tiroir principal ; ces derniers avaient généralement un seuil fixe ou limité. Le c