Machine à vapeur - Définition
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Technologie et raffinements
Avec la généralisation de son emploi, la machine à vapeur va connaître toute une série de perfectionnements destinés à améliorer son efficacité et sa puissance, en utilisant les pressions de plus en plus importantes fournies par les chaudières.
Double action
La double action inventée par Watt devient d'emploi général, elle permet un gros gain de puissance en éliminant la phase où le piston se comporte comme un frein, celui-ci est alors moteur à l'aller et au retour. Sur les moteurs fonctionnant par l'expansion de la vapeur, il est poussé alternativement par les deux chambres d'expansion qu'il délimite. Le système d'alimentation à tiroir a alors pour rôle de déclencher soit l'alimentation, soit l'échappement pour les deux chambres.
Description du fonctionnement
L'arrivée et l'échappement de la vapeur des deux côtés du cylindre est réglée par le tiroir de distribution (6). Le piston est relié à la crosse qui, par l'intermédiaire de la bielle motrice, transforme le mouvement de va-et-vient en mouvement circulaire. Ce mouvement est transmis à toutes les roues motrices grâce aux bielles d'accouplement. Le réglage du tiroir de distribution pour inverser la marche s'effectue au moyen du volant de commande de la vis de changement de marche (8) qui se trouve dans la cabine de conduite.
- Travail de la distribution (modèle de distribution Walschaerts)
C'est par le tiroir (6) que la vapeur est admise dans le cylindre (7) et agit alternativement sur chacune des faces du piston. La tige de piston actionne la bielle couplée au train de roues motrices par l'intermédiaire de la crosse articulée (5). Les roues couplées deviennent toutes motrices.
Par l'intermédiaire de la contre-manivelle (2) calée à 90° de la manivelle motrice, une bielle fait osciller la coulisse (1) de distribution dans laquelle glisse la bielle de commande de tiroir (3). Couplée au levier d'avance (4), le déplacement de la bielle sur la coulisse permet de régler le décalage entre les déplacements du tiroir et ceux du piston. On peut ainsi régler le rapport puissance/vitesse du moteur et également changer de sens.
Expansion multiple
Au cours du XIXe siècle, la pression disponible à la sortie des chaudières augmentant, on finit par utiliser plusieurs cylindres de taille croissante, où la vapeur passe successivement au fur et à mesure de sa détente. On vit ainsi d'abord les machines à double expansion comme les locomotives compound, puis celles à triple expansion comportant respectivement deux et trois cylindres dénommés cylindre à haute, moyenne et basse pression.
Les deux ou trois cylindres entraînaient un arbre moteur commun ; une variante comportait deux cylindres à basse pression, les quatre cylindres étant alors arrangés dans une configuration en V.
Cette technologie fut particulièrement importante dans les applications navales et ferroviaires, car elle permettait de réutiliser l'essentiel de l'eau contenue dans la vapeur, évitant d'avoir à emporter de grandes réserves d'eau, comme les réservoirs qui existaient sur les installations fixes. L'expansion multiple permit une amélioration significative du rendement des moteurs à vapeur, et de l'autonomie des navires utilisant cette technologie.
Chaudière tubulaire
Inventée par Charles Dallery vers 1780. Dans la chaudière tubulaire Charles Dallery, des tubes pleins d’eau sont chauffés extérieurement, au lieu de l’être intérieurement suivant la disposition retenue par Marc Seguin en 1824 dans laquelle les gaz brûlants circulent dans des tubes traversant la chaudière, multipliant ainsi par six la puissance du moteur.
Flot unique (uniflow)
Inventé par Jacob Perkins en 1827, ce modèle se caractérise par l'emploi de soupapes et d'arbre à cames, tout comme les moteurs à explosion, pour la circulation de vapeur : il présente l'avantage d'éviter de faire passer la vapeur chaude et celle détendue par le même emplacement, et aussi d'être plus économe en vapeur.
Type rotatif
C'est une variante issue des recherches récentes sur la Quasiturbine.
Injecteur Giffard
Un des problèmes du moteur à vapeur, c'est d'alimenter la chaudière en eau neuve.
Les méthodes traditionnelles faisaient appel soit à un réservoir placé en hauteur, soit à une pompe entraînée par le moteur.
Henri Giffard invente en 1858 un injecteur actionné par la vapeur, sans pièce mobile ni perte d'énergie (l'énergie de la vapeur est intégralement récupérée dans l'eau d'admission).
