LIVRET MACHINES THERMIQUES

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Sommaire :

Historique Page 3

Gnralit sur les machines vapeur Page 4

Principe et fonctionnement Page 6

Technologie et raffinements Page 7

Expansion multiple Page 8

Lgislation relative la fabrication de chaudire vapeur Page 9

Dcret du 2 avril 1926 Page 10

FONCTIONNEMENT DUNE LOCOMOTIVE A VAPEUR Page 11

Composants dune locomotive vapeur Page 12

Classification des locomotives Page 13

Rgulation Page 14

Moteur cylindre oscillant Page 16

Diffrents types de machines vapeur Page 18

La 231 G 558

HISTOIRE D'UNE LOCOMOTIVE DE PRESTIGE Page 19

Liens internet Page 21

Bibliographie Page 22

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Machine vapeur

Machine vapeur: Noter que le mouvement de la biellette qui relie le rgulateur centrifuge au papillon d'admission de vapeur est montr ici en mouvement continu. Dans la ralit, la biellette n'est active que lorsque la machine acclre ou ralentit.

La machine vapeur est une invention, dont les volutions les plus significatives datent du XVIIIe sicle. C'est un moteur thermique combustion externe, il transforme l'nergie thermique que possde la vapeur d'eau fournie par une ou des chaudires en nergie mcanique. Comme premire source d'nergie d'origine mcanique constructible et matrisable par l'Homme (contrairement l'nergie de l'eau, des mares ou du vent, qui ncessitent des sites spciaux et que l'on ne peut actionner facilement la demande), elle a eu une importance majeure lors de la Rvolution industrielle. Mais au XXe sicle, elle a t supplante par la turbine, le moteur lectrique et le moteur explosion.

Histoire L'olipyle d'Hron d'Alexandrie Les premiers travaux sur la vapeur d'eau et son utilisation remontent l'Antiquit : Hron d'Alexandrie conut et construisit au Ier sicle AP. J.-C. l'olipyle qui, bien que considre comme un jouet du fait de sa faible puissance, n'en tait pas moins un moteur vapeur, raction.

Il fallut attendre le XVIIe sicle, pour que l'ide d'utiliser la puissance de la vapeur d'eau rapparaisse. En 1601, Giambattista Della Porta, puis en 1615, Salomon de Caus dcrivent une pompe capable de chasser l'eau d'un rcipient. Puis en 1629 Giovanni Branca suggre l'ide de moulins mus par la vapeur et l'anne d'aprs David Ramseye obtient un brevet pour une pompe mue

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par un moteur feu. En 1663 Edward Somerset amliore le projet de Caus en quipant la chambre vapeur d'un refroidisseur, il construit un modle de grande taille, mais il meurt avant d'avoir pu appliquer pratiquement sa cration.

En 1698, Thomas Savery dpose un brevet sur une pompe destine l'exploitation minire, fonctionnant la vapeur, directement inspire des travaux dEdward Somerset. Par la suite, il la perfectionne en collaboration avec Thomas Newcomen, grce entre autres aux travaux du Franais Denis Papin. Ce dernier, aprs avoir invent un prototype d'autocuiseur, avait eu l'ide du piston, donnant ainsi accs des puissances insouponnes jusqu'alors. Un premier modle commercial fut utilis ds 1712 dans les mines de charbon, prs de Dudley, dans le centre de l'Angleterre. Ces pompes fonctionnaient en produisant un vide dans une chambre ferme o l'on fait se condenser de la vapeur, grce un jet d'eau. Les vannes d'admission et d'chappement, d'abord commande manuelle, sont automatises par Henry Beighton, en 1718. Ces pompes deviennent rapidement courantes dans toutes les mines humides de l'Europe. Elles restent cependant trs coteuses l'emploi car le cylindre doit tre rchauff avant chaque admission de vapeur.

James Watt

L'cossais James Watt, qui naquit en Ecosse en 1736 et qui mourut en 1819 rpara un moteur Newcomen en 1763, cherche alors des ides d'amlioration pour en augmenter l'efficacit. Ses rflexions dbouchent en 1765 sur l'ide d'une chambre de condensation pour la vapeur spare par une valve, ide sur laquelle il dpose un brevet en 1769. Il commence alors produire des moteurs amliors avec le financement de Matthew Boulton.

Machine vapeur de Watt.

Il continue en parallle chercher des ides sur et autour de son invention. En 1781 il met au point le systme mcanique permettant de crer un mouvement de rotation partir du mouvement rectiligne du piston, ce qui lui permet ensuite de concevoir le cylindre double action o la vapeur entrane le piston, lors de sa monte et de sa descente. La puissance de la machine en est fortement augmente.

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Il formalise aussi une utilisation possible en 1784 en dposant un brevet sur une locomotive vapeur, il invente un indicateur de pression de la vapeur dans le cylindre, et en 1788 une valve de puissance sur laquelle il utilise ensuite l'ide de Bolton d'employer un rgulateur centrifuge pour rendre la puissance produite constante indpendamment des variations de la production de vapeur et des sollicitations de puissance en sortie. Il introduit aussi une nouvelle unit de mesure de la puissance, le cheval vapeur. Certains lui reprochent d'avoir frein le dveloppement des systmes haute pression fonctionnant par l'expansion de la vapeur auxquels il ne croyait pas, mais prns par d'autres inventeurs comme Jonathan Hornblower qui durent attendre l'expiration des brevets en 1800, aprs leur prolongation en 1782. Ce dernier a mis au point en 1781, un double cylindre combin o la vapeur passe d'abord dans un cylindre dans lequel elle pousse le piston avant de passer dans un cylindre fonctionnant selon le principe de la condensation qui quivaut un systme double action. Mais son invention reste exprimentale sans application possible du fait des brevets de Watt, et il faut alors attendre 1803 et Arthur Woolf pour la voir merger enfin. Combin un nouveau type de condenseur conu par Edmund Cartwright qui enveloppe le cylindre et l'apparition des chaudires produisant de la vapeur haute pression, ceci va permettre la fabrication de machines compactes et puissantes, ncessaires une utilisation mobile.

Principe et fonctionnement Par l'intermdiaire d'un systme de tiroir de distribution, ouvrant et fermant des lumires, la vapeur d'eau sous pression est envoye une extrmit d'un cylindre, o elle pousse un piston. Ce dernier entrane la bielle qui est articule dessus, elle est fixe aussi sur le volant d'inertie en un point excentr de son axe de rotation, son mouvement provoque donc une rotation du volant.

Tiroir vapeur

Du volant repart une biellette commandant le tiroir d'admission et d'chappement. Quand le piston arrive au bout du cylindre, la biellette repousse le tiroir :

Dans le cas du cylindre simple effet, le tiroir referme la lumire d'entre de la vapeur et du mme ct ouvre une autre lumire pour laisser s'chapper la vapeur contenue dans le cylindre. Le volant, par l'nergie cintique accumule, continue de tourner, repoussant ainsi le piston au point de dpart.

Dans un cylindre double effet, le tiroir ouvre, en plus, une lumire d'admission pour la vapeur de l'autre ct, elle repousse le piston qui continue sa pousse sur le volant.

Sur ce volant on place une courroie tablissant une liaison lastique avec la poulie d'entre d'une machine transformant ce mouvement en un travail spcifique. Pour tre utilisable industriellement, cette nergie doit le plus souvent tre rgule afin que la vitesse de rotation ne dpende ni des alas de la chauffe, ni surtout de la

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sollicitation de puissance en sortie. C'est l qu'intervient le rgulateur centrifuge mis au point par Watt, qui agit directement sur la vanne par laquelle la vapeur arrive de la chaudire.

Technologie et raffinements Avec la gnralisation de son emploi, la machine vapeur va connatre toute une srie de perfectionnements destins amliorer son efficacit et sa puissance, en utilisant les pressions de plus en plus importantes fournies par les chaudires.

Double action

La double action invente par Watt devient d'emploi gnral, elle permet un gros gain de puissance en liminant la phase o le piston se comporte comme un frein, celui-ci est alors moteur l'aller et au retour. Sur les moteurs fonctionnant par l'expansion de la vapeur, il est pouss alternativement par les deux chambres d'expansion qu'il dlimite. Le systme d'alimentation tiroir a alors pour rle de dclencher soit l'alimentation, soit l'chappement pour les deux chambres.

Description du fonctionnement

L'arrive et l'chappement de la vapeur des deux cts du cylindre est rgle par le tiroir de distribution (6). Le piston est reli la crosse, qui par l'intermdiaire de la bielle motrice transforme le mouvement de va-et-vient en mouvement circulaire. Ce mouvement est transmis toutes les roues motrices grce aux bielles d'accouplement. Le rglage 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 (modle de distribution Walschaert) : 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 couple au train de roues motrices par l'intermdiaire de la crosse articule (5). Les roues couples deviennent toutes motrices.

Par l'intermdiaire de la contre-manivelle (2) cal 90 de la manivelle motrice, une bielle fait osciller la coulisse (1) de distribution dans laquelle glisse la bielle de commande de tiroir (3). Couple au levier d'avance (4), le dplacement de la bielle sur la coulisse permet de rgler le dcalage entre les dplacements du tiroir et ceux du piston. On peut ainsi rgler le rapport puissance/vitesse du moteur et galement changer de sens.

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Expansion multiple Au cours du XIXe sicle, la pression disponible la sortie des chaudires

augmentant, on finit par utiliser plusieurs cylindres de taille croissante, o la vapeur passe successivement au fur et mesure de sa dtente. On vit ainsi d'abord les machines double expansion comme les locomotives compound, puis celles triple expansion comportant respectivement deux et trois cylindres dnomms cylindre haute, moyenne et basse pression. Les deux ou trois cylindres entranaient un arbre moteur commun, une variante comportait deux cylindres basse pression, les quatre cylindres tant alors arrangs dans une configuration en V. Cette technologie fut particulirement importante dans les applications navales et ferroviaires, car elle permettait de rutiliser la plupart de l'eau contenue dans la vapeur, vitant d'avoir emporter de grandes rserves d'eau, comme les rservoirs qui existaient sur des installations fixes.

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Lgislation relative la fabrication de chaudire vapeur

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FONCTIONNEMENT DUNE LOCOMOTIVE A VAPEUR

La locomotive se compose de 3 parties principales ensembles : la chaudire, qui produit la vapeur ncessaire, le chssis, qui se compose du cadre et des roues et la machine vapeur, qui transforme la vapeur en force motrice.

La chaudire se compose de la partie postrieure, du corps cylindrique et de la bote fume.

La partie postrieure de la chaudire se compose du foyer et de la bote feu, relis par des entretoises. Le corps cylindrique renferme les tubes bouilleurs et tubes fume 5).

Le combustible - charbon, bois ou huile - alimente le feu par l'ouverture 1) du Foyer 2), o il brle sur la grille 3) au travers des espaces de laquelle les cendres tombent dans le cendrier 4). Le cendrier permet au moyen de clapets l'air ncessaire la combustion d'entrer. Les gaz rsultant de la combustion passent au travers des tubes bouilleurs et tubes fume 5), o ils transmettent leur chaleur l'eau de la chaudire et arrivent la bote fume 7), dans laquelle un pare-escarbilles 9) retient les cendres incandescentes, avant d'tre expulss par la chemine 8).

La vapeur forme par l'eau de la chaudire se concentre dans le dme de vapeur 10), passe par la soupape du rgulateur actionne depuis la cabine de conduite au moyen du levier de rgulateur et de son arbre de commande 11) et atteint d'ici le surchauffeur 6), qui se compose de groupes de tubes fins dans les tubes fume. La vapeur atteint ici une temprature d'environ 350 C et parvient ensuite co mme force motrice aux cylindres 12), o elle pousse alternativement les pistons en avant et en arrire. L'arrive et l'chappement de la vapeur des deux cts du cylindres est rgle par le tiroir de distribution 13). Le piston est reli la crosse, qui par l'intermdiaire de la bielle motrice transforme le mouvement de va-et-vient en mouvement circulaire. Le rglage du tiroir de distribution s'effectue au moyen du volant de commande de la vis de changement de marche 14) qui se trouve dans la cabine de conduite.

Une pompe d'alimentation 17) alimente la chaudire avec la quantit ncessaire d'eau frache par le dme d'alimentation 15), aprs qu'elle n'ait t porte environ 100 C par le rchauffeur d'eau 18). Pour garantir un coefficient d'adhrence suffisant entre la roue et le rail, galement par mauvais temps, on envoie grce de l'air comprim du sable en provenance du dme sable 16) devant les roues, pour viter leur patinage.

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Composants dune locomotive vapeur

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Classification des de Locomotives

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Rgulateur

Le rgulateur boules de James Watt est un systme permettant de rguler la vitesse de rotation d'une machine vapeur. Il trouve son origine dans le systme bielle-manivelle et le volant d'inertie rapidement associ sur l'axe en rotation pour viter le blocage li l'existence de deux points morts. Dans la mme configuration, un dessin du carnet de l'ingnieur siennois Francesco di Giorgio Martini montre clairement une roue en rotation sur laquelle sont fixes plusieurs boules l'extrmit de cordes et qui agissent donc de faon proportionnelle la vitesse de rotation, comme c'est prcisment le cas pour le rgulateur boules de James Watt. Le rgulateur boules de James Watt a la rputation d'avoir t l'un des premiers mcanismes de rtroaction, utilis dans le domaine industriel. Les considrations de ces mcanismes d'un type nouveau donnrent naissance plus tard des rflexions comme la cyberntique et des sciences comme l'automatique. Le problme Il est important, pour ne pas dtriorer les mcanismes de transmission mcanique, que la vitesse d'une machine vapeur soit aussi constante que possible. Si quelques carts sont, la rigueur, admissibles pour l'entranement d'une pompe de mine, des diffrences de vitesse du mme ordre peuvent compromettre le fonctionnement d'une filature ou de mtiers tisser, dont la mcanique est dlicate.

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Comment assurer la rgulation ? Deux boules situes aux extrmits d'un pantographe, comme le montre le schma ci-dessus : plus l'axe tournait vite et plus les boules s'cartaient, ce qui avait pour effet de descendre la partie suprieure du pantographe. Celle-ci pouvait alors tre utilise pour commander la vanne d'admission de vapeur. Si, la suite d'une combustion plus forte ou d'une moindre utilisation de la puissance fournie, la vitesse de rotation augmente,

les boules tournent plus vite elles s'cartent davantage de l'axe de rotation par force centrifuge, le haut du pantographe descend, et l'admission de vapeur est diminue - tendant donc rduire cette mme

vitesse d'autant qu'il le faut pour revenir au point de consigne.

Si, inversement, la suite d'un ralentissement de la combustion ou d'une charge suprieure de l'atelier cette vitesse diminue,

les boules tournent moins vite, elles se rapprochent en raison de leur poids du fait que la force centrifuge

diminue le haut du pantographe remonte, et l'admission de vapeur est augmente - tendant donc du mme coup

augmenter cette vitesse autant qu'il le faut pour revenir sur le point de consigne.

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Moteur cylindre oscillant

Une machine vapeur cylindre oscillant est un mcanisme simple qui ne ncessite pas de tiroirs vapeur. Au lieu de soupapes, le cylindre oscille, de telle sorte que un ou plusieurs trous dans la laxe du cylindre concident avec des trous situ sur le bti.

Table des matires

1 - Fonctionnement

2 - Inverseurs

3 - Utilisation

1 - Fonctionnement d'un moteur vapeur simple cylindre oscillant

La vapeur doit tre introduite l'extrmit du cylindre afin de pousser le piston. Le piston entraine en rotation le volant qui fait osciller le cylindre. Le trou dalimentation se trouve alors en face de lorifice de sortie et la vapeur schappe dans latmosphre. Puis le cycle continu.

Cylindre

Trou mobile situ sur le

cylindre

Axe du cylindre

Trous fixes situ sur le

Bti

Bti

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2 - Inverseur

Un cylindre oscillant rversible

Inversion du moteur peut tre obtenue en inversant les connexions vapeur entre admission et dchappement.

3 - Utilisation

Oscillant d'un navire vapeur cylindre, construit 1853.

Un typique petit moteur oscillant cylindre fixe

Oscillant cylindres sont principalement utiliss dans les jouets et modles, mais ils ont t utiliss dans le lindustrie, principalement sur les navires et les petits moteurs fixes . Ils ont l'avantage de la simplicit et, par consquent, un cot de fabrication faible. Ils ont galement tendance tre plus compact que les autres types de moteur de la mme taille, ce qui les rend avantageux pour une utilisation bord des navires.

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Diffrents types de machines vapeur

Locomotive

Locomobile tracte par des chevaux Locomobile

Moteur fixe

Rouleau

Pelleteuse

Grue Ferroviaire Pompe de bateaux

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La 231 G 558

HISTOIRE D'UNE LOCOMOTIVE DE PRESTIGE De toutes les machines vapeur de la S.N.C.F. prserves, on dnombre neuf machines de type "Pacific". Une Pacific a la configuration d'essieux suivante: 2 essieux porteurs l'avant, 3 essieux moteurs et un essieu porteur l'arrire.

Dans ce lot de prestigieuses machines de vitesse, qui assuraient dans les annes "vingt" aux annes "soixante" la traction des trains express et rapides, la 231 G 558 est l'une des seules tre en tat de marche.

Construite en 1922 Nantes par la socit BATIGNOLLES - CHATILLON, elle fait partie d'une srie de 283 units numrotes sur le rseau de l'ETAT : 231 501 783.

En 1936, pour faire face aux problmes de traction que posait l'arrive de voitures voyageurs entirement mtalliques, plus lourdes, le rseau de l'ETAT modifie 31 de ses Pacifics en transformant notamment la distribution. Ces machines sont transformes par les Ateliers de SOTTEVILLE QUATRE-MARES. Elles y sont munies d'une distribution soupapes sur les cylindres Haute Pression (HP) et Basse Pression (BP), selon les principes appliqus aux locomotives de la Cie de Paris Orlans (PO) par Andr CHAPELON et mis en uvre par la socit LENZ-DABEG. Elles sont alors rpertories sous le type D.D (Double Dabeg) qui deviendra le type G la cration de la S.N.C.F. le 1er janvier 1938. C'est une machine COMPOUND quatre cylindres, deux HP et deux BP.

Affecte diffrents dpts, (THOUARS, CAEN, LE HAVRE et NANTES-BLOTTEREAU) elle assure dans ses rsidences successives des services de vitesse sur PARIS-BORDEAUX par CHARTRES, NIORT et SAINTES, PARIS-CHERBOURG, PARIS-LE HAVRE, et enfin NANTES-LE CROISIC o elle tracte son dernier train le 29 septembre 1968 avant d'tre gare ANGERS. Rallume en 1969, elle est achemine DIEPPE o elle sert pendant quelques mois de chaudire fixe pour le rchauffage du fuel lourd des car-ferries,

La S.N.C.F. tente en vain de la vendre en 1971. A l'initiative d'un chef de traction du dpt de SOTTEVILLE, elle y revient en 1972 et aprs de longues tractations, elle est cde au Franc symbolique l'Amicale des Chefs de Traction du Rseau de l'Ouest de la S.N.C.F. le 4 novembre 1977. Elle est ensuite prsente froide dans diffrentes manifestations.

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PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DE LA 231 G 558 ET DE SON TENDER 22 C 367.

Libell LOCOMOTIVE Capacit TENDER Poids en ordre de marche en

Tonnes 104 60

Longueur en mtres 13,665 8,65

Vitesse en service la S.N.C.F. 130 Km/h Charbon 12 tonnes

Vitesse: actuellement limite 100 Km/h Eau 22 m3 Consommation de charbon en

tonnes au 100 KM 1,5 2 Consommation d'eau en M3 au 100

KM 10 15

Puissance en CV 2500

PERFORMANCE : Ces machines ont atteint aisment, aux essais, 155 Km/h et auraient pu les dpasser sans difficult.

PUISSANCE:

Au crochet de traction : Entre 2000 & 2500 chevaux. A la jante 3000 chevaux Puissance de vaporisation de la chaudire: 15 000 litres/Heure. Consommation de charbon : 1500 2000 kg aux 100 Km. Possibilit de traction : 600 tonnes 120 km/h en palier 500 tonnes 130 km/h en palier. 600 tonnes : 13 voitures voyageurs. 500 tonnes : 11 voitures voyageurs.

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Liens :

http://pacificvapeurclub.free.fr/

http://www.moteurstirling.com/

http://www.wilesco.de

http://www.opitec.fr/

http://www.voisin.ch/dlok/index-1_f.html

http://jpduval.free.fr/

http://www.cav-escarbille.com/

http://membres.multimania.fr/vapeurlanguedoc/

http://jpb-vapeur.wifeo.com/

http://www.panyo.com/mso/index.htm

http://www.dlm-ag.ch/index.php

Photo de couverture

William Turner 1775-1851

Pluie, Vapeur et Vitesse - Le Grand Chemin de Fer de lOuest 1844

Huile sur toile 90 cm x 122 cm

National Gallery Londres

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Bibliographie La Machine Locomotive E. Sauvage et A. Chapelon, Xe dition, librairie

Polytechnique Ch. Branger, 1947 rdition des Editions du Layet de 1979 "Conducteur de Locomotive" de Roger Habert, Editions L'Harmattan, 2000 Andr Chapelon, La locomotive vapeur, Volume 1, Librairie J.-B. Baillire

et fils, diteurs, 1938 Jean-Marc Combe, L'Aventure scientifique et technique de la vapeur:

d'Hron d'Alexandrie la centrale nuclaire, ditions du Centre National de la Recherche Scientifique, 1986

Marcel Chavy, Andr Lepage et Maurice Maillet, Les "Pacific" du Paris-Lyon-Mditerrane (P.L.M.), Les Editions du Cabri, 1989 (ISBN 2-903310-80-7)

Bernard Collardey et Andr Rasserie, Les locomotives "Pacific" du PLM, Editions La Vie du Rail, 2006 (ISBN 2-915034-63-X)

Maurice Maillet, Les "Pacific" P.O.-Midi et l'uvre d'Andr Chapelon au Rseau d'Orlans, Les Editions du Cabri, Rdition 1983 (ISBN 2-903310-32-7)

Maurice Maillet, L'uvre d'Andr Chapelon la S.N.C.F. et son influence mondiale, Les Editions du Cabri, 1983 (ISBN 2-903310-27-0)

Jean Gillot, Les locomotives vapeur de la S.N.C.F. Rgion Est, Editions Picador, 2me dition 1985

Adolphe Spineux, De la distribution de la vapeur dans les machines. tude rationnelle des distributeurs, suivie d'une tude des volants et des rgulateurs, Lige/Paris, Librairie polytechnique de J. Baudry, 1869.