Machine à vapeur composée

Une unité de machine à vapeur composée est un type de machine à vapeur dans laquelle la vapeur est détendue en deux étapes ou plus. cylindre haute pression (HP) , puis après avoir cédé de la chaleur et perdu de la pression, elle s'échappe directement dans un ou plusieurs cylindres basse pression (LP) de plus grand volume . Les moteurs à expansion multiple utilisent des cylindres supplémentaires, de pression progressivement plus basse, pour extraire davantage d'énergie de la vapeur.

Inventée en 1781, cette technique a été utilisée pour la première fois sur une machine à faisceau de Cornouailles en 1804. Vers 1850, les machines composites ont été introduites pour la première fois dans les usines textiles du Lancashire.

Il existe de nombreux systèmes et configurations composés, mais il existe deux types de base, selon la manière dont les courses des pistons HP et BP sont phasées et donc si l'échappement HP est capable de passer directement de HP à BP ( composés Woolf ) ou si la fluctuation de pression nécessite un espace « tampon » intermédiaire sous la forme d'un coffre à vapeur ou d'un tuyau appelé récepteur (composés récepteurs).

Dans une machine à vapeur à simple détente (ou « simple »), la vapeur à haute pression entre dans le cylindre à la pression de la chaudière par une soupape d'admission. La pression de la vapeur force le piston à descendre dans le cylindre, jusqu'à ce que la soupape se ferme (par exemple après 25 % de la course du piston). Une fois l'alimentation en vapeur coupée, la vapeur emprisonnée continue de se dilater, poussant le piston jusqu'à la fin de sa course, où la soupape d'échappement s'ouvre et expulse la vapeur partiellement épuisée vers l' atmosphère ou vers un condenseur. Cette « coupure » permet d'extraire beaucoup plus de travail, car la détente de la vapeur effectue un travail supplémentaire au-delà de celui effectué par la vapeur à la pression de la chaudière.

Une coupure plus précoce augmente le rapport de détente, ce qui permet en principe d'extraire plus d'énergie et d'augmenter l'efficacité. Idéalement, la vapeur se dilaterait de manière adiabatique et la température chuterait en fonction de l'augmentation du volume. Cependant, dans la pratique, le matériau du cylindre environnant agit comme un réservoir de chaleur, refroidissant la vapeur dans la première partie de la détente et la chauffant dans la dernière partie. Ces flux de chaleur irréversibles diminuent l'efficacité du processus, de sorte qu'au-delà d'un certain point, une augmentation supplémentaire du rapport de détente diminuerait en fait l'efficacité, en plus de diminuer la pression moyenne effective et donc la puissance du moteur.

La solution à ce dilemme a été inventée en 1804 par l'ingénieur britannique Arthur Woolf , qui a breveté son moteur à haute pression Woolf en 1805. Dans le moteur à haute pression, la vapeur haute pression provenant de la chaudière se dilate d'abord dans un cylindre haute pression (HP) puis pénètre dans un ou plusieurs cylindres à basse pression (LP) ultérieurs. La détente complète de la vapeur se produit dans plusieurs cylindres et, comme il y a moins de détente dans chaque cylindre, la vapeur se refroidit moins dans chaque cylindre, ce qui rend les taux de détente plus élevés pratiques et augmente l'efficacité du moteur.

Il y a d'autres avantages : comme la plage de température est plus petite, la condensation dans le cylindre est réduite. La perte due à la condensation est limitée au cylindre BP. La différence de pression est moindre dans chaque cylindre, ce qui réduit les fuites de vapeur au niveau du piston et des soupapes. Le moment de rotation est plus uniforme, ce qui facilite l'équilibrage et permet d'utiliser un volant d'inertie plus petit. Seul le cylindre HP plus petit doit être construit pour résister à la pression la plus élevée, ce qui réduit le poids total. De même, les composants sont soumis à moins de contraintes, ce qui permet d'être plus légers. Les pièces alternatives du moteur sont plus légères, ce qui réduit les vibrations du moteur. Le composé peut être démarré à n'importe quel moment du cycle et, en cas de défaillance mécanique, le composé peut être réinitialisé pour agir comme un simple et ainsi continuer à fonctionner.

Pour obtenir un travail égal à partir de vapeur à basse pression, il faut un plus grand volume de cylindre, car cette vapeur occupe un plus grand volume. Par conséquent, l'alésage et, dans de rares cas, la course également, sont augmentés dans les cylindres à basse pression, ce qui donne des cylindres plus grands.

Les moteurs à double expansion (généralement appelés simplement « compound ») dilatent la vapeur en deux étapes, mais cela n'implique pas que tous ces moteurs aient deux cylindres. Ils peuvent avoir quatre cylindres fonctionnant comme deux paires BP-HP, ou le travail du grand cylindre BP peut être réparti sur deux cylindres plus petits, avec un cylindre HP évacuant dans l'un ou l'autre cylindre BP, ce qui donne une configuration à 3 cylindres où le diamètre du cylindre et du piston des trois est à peu près le même, ce qui rend les masses en mouvement plus faciles à équilibrer.

Les composés à deux cylindres peuvent être disposés comme suit :

• Composé croisé – les cylindres sont côte à côte
• Composé en tandem – les cylindres sont bout à bout, entraînant une bielle commune
• Télescopique-composé – les cylindres sont les uns dans les autres
• Angle composé – les cylindres sont disposés en V (généralement à un angle de 90°) et entraînent une manivelle commune.

L'adoption du compoundage était répandue pour les unités industrielles stationnaires où le besoin était d'augmenter la puissance à un coût décroissant, et presque universelle pour les moteurs marins après 1880. Il n'était pas largement utilisé dans les locomotives de chemin de fer où il était souvent perçu comme compliqué et inadapté à l'environnement d'exploitation ferroviaire difficile et à l'espace limité offert par le gabarit de chargement (en particulier en Grande-Bretagne). Le compoundage n'a jamais été courant sur les chemins de fer britanniques et n'a pas été utilisé du tout après 1930, mais a été utilisé de manière limitée dans de nombreux autres pays.

La première tentative réussie de faire voler un avion à voilure fixe plus lourd que l'air uniquement à la vapeur a eu lieu en 1933, lorsque George et William Besler ont converti un biplan Travel Air 2000 pour voler sur un moteur à vapeur bicylindre en V à angle composé de 150 ch de leur propre conception au lieu du moteur à essence d'aviation en ligne ou radial Curtiss OX-5 habituel qu'il aurait normalement utilisé.

Il s'agit d'une extension logique du moteur composé (décrit ci-dessus) qui consiste à diviser la détente en plusieurs étapes afin d'augmenter l'efficacité. Le résultat est le moteur à détente multiple . Ces moteurs utilisent trois ou quatre étapes de détente et sont connus respectivement sous le nom de moteurs à triple et quadruple détente . Ces moteurs utilisent une série de cylindres à double effet dont le diamètre et/ou la course et donc le volume augmentent progressivement. Ces cylindres sont conçus pour diviser le travail en trois ou quatre parties égales, une pour chaque étape de détente. L'image ci-contre montre une animation d'un moteur à triple détente. La vapeur traverse le moteur de gauche à droite. Le boîtier de soupapes de chacun des cylindres se trouve à gauche du cylindre correspondant.

• 1781 – Jonathan Hornblower , petit-fils d'un des monteurs de moteurs de Newcomen en Cornouailles, a breveté un moteur à double cylindre à mouvement alternatif en 1781. Il a été empêché de le développer davantage par James Watt , qui prétendait que ses propres brevets avaient été violés.
• 1797 - Richard Trevithick développe une machine à vapeur haute pression efficace.
• 1804 – Arthur Woolf développe le moteur à vapeur stationnaire à haute pression Woolf , breveté en 1805. Le moteur Woolf a réduit l'ampleur croissante du chauffage et du refroidissement continus d'un moteur à vapeur à haute pression à simple détente qui conduit à l'inefficacité. Il a également résolu le problème que les cylindres en fonte contemporains ne pouvaient pas gérer correctement.

• 1833 – L'Hercules (1829) fut modifié pour utiliser un cylindre à très basse pression, emprunté à l'Agrippine , avec de la vapeur provenant de ses cylindres à haute pression. Cette modification fut conçue par l'ingénieur hollandais Gerhard Moritz Roentgen , faisant de lui l'inventeur de la machine à vapeur composite navale. Le remorqueur à vapeur à aubes fut ensuite utilisé avec succès pour le service sur la rivière Waal , devenant le premier navire équipé d'une machine à vapeur composite à entrer en service.
• 1845 – William McNaught a mis au point une méthode permettant de fixer un cylindre haute pression supplémentaire dans un moteur à poutre existant. Pour ce faire, il fallait utiliser un long tuyau pour relier les cylindres et un jeu de soupapes supplémentaire pour les équilibrer. En fait, cela agissait comme un caisson de réception et un nouveau type de composé avait été inventé. Ce système permettait un meilleur contrôle de l'admission et des coupures de vapeur. Un moteur pouvait être ralenti soit par un accélérateur qui réduisait la pression de la vapeur, soit en ajustant la coupure sur l'un ou l'autre cylindre. Cette dernière méthode était plus efficace car aucune puissance n'était perdue. Le cycle était plus fluide car les deux cylindres n'étaient pas en phase.
• 1865 – Le SS Agamemnon (1865) est lancé, équipé d'une machine à vapeur compound de 300 ch . La machine a été conçue par Alfred Holt , l'un de ses propriétaires. Holt avait persuadé le Board of Trade d'autoriser une pression de chaudière de 60 psi au lieu des 25 psi habituels - une pression plus élevée était nécessaire pour profiter des avantages de la double expansion. L'efficacité obtenue a permis à ce navire de parcourir 8 500 milles avant de se ravitailler en charbon . Cela le rendait compétitif sur les lignes entre la Chine et la Grande-Bretagne.

• 1861 – Daniel Adamson dépose un brevet pour un moteur à expansion multiple, avec trois cylindres ou plus reliés à une poutre ou un vilebrequin. Il construit un moteur à triple expansion pour Victoria Mills, Dukinfield , qui ouvre en 1867.
• 1871 – Charles Normand, du Havre, installe un moteur à triple expansion sur un bateau fluvial de la Seine en 1871.
• 1872 – Sir Fredrick J. Bramwell a signalé que les moteurs marins composés, fonctionnant à une pression de 45 à 60 psi, consommaient de 2 à 2,5 livres de charbon par heure et par cheval-vapeur indiqué.
• 1881 – Alexander Carnegie Kirk construit le SS Aberdeen , premier grand navire à être propulsé avec succès par un moteur à triple expansion. Le succès repose sur la résolution du problème de la conception d'une chaudière capable de fonctionner aux pressions (alors) élevées nécessaires pour bénéficier des avantages de la triple expansion.
• 1887 – Lancement du HMS Victoria , premier cuirassé à être propulsé par des moteurs à triple expansion.
• 1891 – Les moteurs marins à triple expansion, fonctionnant à 160 psi, consommaient en moyenne environ 1,5 lb de charbon par heure par cheval-vapeur indiqué.

Bien que les premiers moulins aient été actionnés par la force hydraulique , une fois que les machines à vapeur ont été adoptées, le fabricant n'a plus eu besoin de faire fonctionner les moulins à l'eau courante. La filature du coton a nécessité des moulins de plus en plus grands pour répondre à la demande, ce qui a poussé les propriétaires à exiger des moteurs de plus en plus puissants. Lorsque la pression de la chaudière dépassait 60 psi, les moteurs composés obtenaient un avantage thermodynamique, mais ce sont les avantages mécaniques de la course plus douce qui ont été le facteur décisif dans l'adoption des composés. En 1859, il y avait 75 886 chevaux-vapeur indiqués de moteurs dans les moulins de la région de Manchester, dont 32 282 ihp étaient fournis par des composés, bien que seulement 41 189 ihp étaient générés par des chaudières fonctionnant à plus de 60 psi.

Pour généraliser, entre 1860 et 1926, tous les moulins du Lancashire étaient entraînés par des moteurs à engrenages. Le dernier moteur à engrenages construit fut celui de Buckley et Taylor pour le moulin Wye No.2, à Shaw . Ce moteur était de conception à engrenages croisés de 2 500 chevaux-vapeur, entraînant un volant d'inertie de 24 pieds et 90 tonnes, et a fonctionné jusqu'en 1965.

Dans le milieu marin, l'exigence générale était d'avoir une autonomie et une autonomie accrue, car les navires devaient transporter leurs réserves de charbon. L'ancienne chaudière à eau salée n'était donc plus adaptée et a dû être remplacée par un circuit fermé d'eau douce avec condenseur. Le résultat fut à partir de 1880 le moteur à expansion multiple utilisant trois ou quatre étages de détente ( moteurs à triple et quadruple expansion ). Ces moteurs utilisaient une série de cylindres à double effet de diamètre et/ou de course (et donc de volume) progressivement croissants conçus pour diviser le travail en trois ou quatre, selon le cas, parties égales pour chaque étage de détente. Lorsque l'espace est limité, deux cylindres plus petits d'un volume total important 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 XIXe siècle, le « système » d'équilibrage Yarrow-Schlick-Tweedy était utilisé sur certains moteurs marins à triple expansion. Les moteurs YST divisaient les étages de détente basse pression entre deux cylindres, un à chaque extrémité du moteur. Cela permettait de mieux équilibrer le vilebrequin, ce qui produisait un moteur plus souple, plus réactif et moins vibrant. Le moteur à triple expansion à 4 cylindres était alors très apprécié des grands paquebots de ligne (comme ceux de la classe Olympic ), mais il fut finalement remplacé par la turbine à vapeur, pratiquement sans vibrations .

Le développement de ce type de moteur était important pour son utilisation dans les navires à vapeur, car en évacuant l'eau vers un condenseur, elle pouvait être récupérée pour alimenter la chaudière, qui ne pouvait pas utiliser l'eau de mer . Les machines à vapeur terrestres pouvaient simplement évacuer une grande partie de leur vapeur, car l'eau d'alimentation était généralement facilement disponible. Avant et pendant la Seconde Guerre mondiale , le moteur à expansion dominait les applications marines où la vitesse élevée du navire n'était pas essentielle. Il a été remplacé par la turbine à vapeur lorsque la vitesse était nécessaire, comme pour les navires de guerre et les paquebots . Le HMS Dreadnought de 1905 a été le premier grand navire de guerre à remplacer la technologie éprouvée du moteur à piston par la turbine à vapeur, alors innovante.

Pour les applications de locomotives ferroviaires, le principal avantage recherché dans le compoundage était l'économie de consommation de carburant et d'eau ainsi qu'un rapport puissance/poids élevé en raison de la chute de température et de pression se produisant sur un cycle plus long, ce qui se traduisait par une efficacité accrue ; les avantages supplémentaires perçus comprenaient un couple plus uniforme.

Bien que les conceptions de locomotives à vapeur puissent remonter au brevet de James Samuel de 1856 pour une « locomotive à expansion continue », l'histoire pratique de la locomotive à vapeur ferroviaire commence avec les conceptions d' Anatole Mallet dans les années 1870. Les locomotives Mallet ont été exploitées aux États-Unis jusqu'à la fin de la vapeur sur les lignes principales par le Norfolk and Western Railway . Les conceptions d' Alfred George de Glehn en France ont également été largement utilisées, en particulier dans les reconstructions d' André Chapelon . Une grande variété de conceptions de locomotives à vapeur ont été essayées vers 1900, mais la plupart n'ont pas eu une popularité de longue durée, en raison de leur complexité et de leur responsabilité en matière d'entretien. Au XXe siècle, le surchauffeur a été largement adopté et la grande majorité des locomotives à vapeur étaient à simple expansion (avec certaines locomotives à vapeur converties en simples). Les ingénieurs ont réalisé que les locomotives à vitesse constante fonctionnaient plus efficacement avec un régulateur grand ouvert et une coupure précoce, cette dernière étant réglée via le mécanisme de marche arrière. Une locomotive fonctionnant avec une coupure de vapeur très précoce (par exemple à 15 % de la course du piston) permet une expansion maximale de la vapeur, avec moins d'énergie gaspillée en fin de course. La surchauffe élimine la condensation et la perte rapide de pression qui se produiraient autrement avec une telle expansion.

Les grandes locomotives américaines utilisaient deux compresseurs d'air à vapeur à entraînement croisé, par exemple le Westinghouse 8 1/2" 150-D, pour les freins du train.

La présentation suit le manuel de Sommerfeld, qui contient un diagramme (Figure 17) qui n'est pas reproduit pour des raisons de droits d'auteur.

Considérons un moteur à 4 cylindres sur un navire. Soit x la direction verticale, z la direction avant-arrière et y la direction bâbord-tribord. Soit les 4 cylindres montés en ligne le long de l'axe z, de sorte que leurs pistons soient dirigés vers le bas. Les pistons sont reliés au même vilebrequin par de longues tiges verticales. Maintenant, nous définissons les grandeurs fondamentales du moteur :

• Soient les masses effectives du système piston-tige composé de chaque cylindre.
• Soit le cylindre 2 séparé du cylindre 1 d'une distance de le long de l'axe z, et de même pour .
• Soit la longueur de chaque tige du cylindre.
• Soit les rayons du connecteur du vilebrequin de chaque cylindre.
• Soit l'angle du connecteur du vilebrequin de chaque cylindre.
• Étant donné que le vilebrequin est tourné en tandem par tous les cylindres, est une constante pour chacun des .

Maintenant, lorsque le moteur fonctionne, la position verticale du cylindre est égale à . Par trigonométrie, nous avons

Lorsque chaque cylindre monte et descend, il exerce une force verticale sur son cadre de montage égale à . Le système YST vise à garantir que le total des 4 forces s'annule aussi exactement que possible. Plus précisément, il vise à garantir que la force totale (le long de l'axe des x) et le couple total (autour de l'axe des y) sont tous deux nuls :

Cela peut être réalisé si

Maintenant, en insérant les équations, nous constatons que cela signifie (jusqu'au deuxième ordre)

En insérant et en développant les fonctions cosinus, nous voyons qu'avec arbitraire, les facteurs de doivent s'annuler séparément. Cela nous donne 8 équations à résoudre, ce qui est en général possible s'il y a au moins 8 variables du système que nous pouvons faire varier.

Parmi les variables du système, celles-ci sont fixées par la conception des cylindres. De plus, les valeurs absolues de n'ont pas d'importance, seuls leurs rapports comptent. Ensemble, cela nous donne 9 variables à faire varier : .

Le système YST nécessite au moins 4 cylindres. Avec 3 cylindres, la même dérivation ne nous donne que 6 variables à faire varier, ce qui est insuffisant pour résoudre les 8 équations.

Le système YST est utilisé sur des navires tels que le SS Kaiser Wilhelm der Grosse et le SS Deutschland (1900) .

^ Phasage des cylindres : Dans les composés à deux cylindres utilisés dans les travaux ferroviaires, les pistons sont reliés aux manivelles comme dans un simple à deux cylindres à 90° déphasés l'un par rapport à l'autre ( quartier ).

Lorsque le groupe à double expansion est dupliqué, produisant un moteur à 4 cylindres, les pistons individuels du groupe sont généralement équilibrés à 180°, les groupes étant placés à 90° les uns par rapport aux autres. Dans un cas (premier type de moteur Vauclain ), les pistons travaillaient dans la même phase entraînant une culasse et un vilebrequin communs, également placés à 90° comme pour un moteur à deux cylindres.

Avec la configuration à 3 cylindres, les manivelles BP étaient soit réglées à 90° avec celle HP à 135° par rapport aux deux autres, soit dans certains cas, les trois manivelles étaient réglées à 120°.

^ ihp : La puissance d'un moteur de moulin était à l'origine mesurée en chevaux-vapeur nominaux , mais ce système sous-estimait la puissance d'un système McNaught composé adapté aux composés, ihp ou chevaux-vapeur indiqués. En règle générale, ihp est 2,6 fois nhp, dans un moteur composé.