HISTOIRE DES MACHINES A VAPEUR : Distribution de la vapeur

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La distribution est le mécanisme qui permet d'envoyer la vapeur d'un coté du piston puis de l'autre (suivant son sens de déplacement).
Au début utilisation de robinet à 4 voies Robinet 4 voies(système tout ou rien).
Utilisation de soupapes à un seul siège (comme les soupapes de moteur à explosion moderne). Il faut de la force pour l'ouvrir (surface * pression) et il y a des problèmes d'étanchéité et de tenue dans le temps.

Tiroir

En 1799 Murdock (qui travaillait chez Watt) invente le tiroir.
C'est une pièce qui a la forme d'un tiroir de commode renversé (creux vers le bas) qui frotte sur une surface lisse percée de lumières (trous). La vapeur de la chaudière est introduite au dessus, la lumière du milieu est à l'échappement. Suivant la position du tiroir, un coté du piston est sous pression alors que l'autre est à la pression du condenseur (échappement). Après une translation du tiroir, on inverse le sens.
En 1801 Murray utilise un excentrique pour piloter le tiroir.
En 1881 Mr Ricour utilise un tiroir cylindrique pour augmenter les sections de passage de la vapeur tout en limitant le frottement.
Le système à tiroir piloté par excentrique a eu beaucoup de succès : il est simple (peu de pièces) et avec l'usure l'étanchéité se renforce (rodage des surfaces de contact qui assurent l'étanchéité).
Voir une animation d'une machine à vapeur à simple excentrique où on peut faire bouger le mécanisme avec un ascenseur, changer le sens de rotation et la vitesse..

Phases de la distribution

Examinons le coté gauche du cylindre :
Admission
Détente
Echappement
Compression
Admission : la vapeur entre dans le cylindre. Détente : la lumière est fermée. Echappement : au retour du piston, le cylindre est mis à la pression la plus faible (condenseur). Compression : la lumière est fermée, la vapeur se comprime pour remplir l'espace mort.
On peut ajouter 2 phases : admission et échappement anticipés quand ces phases commencent avant l'arrivée du piston en bout en course (point mort).

Commande du tiroir par excentrique

Dans les systèmes à tiroir, l'excentrique est décalé par rapport à la manivelle moteur. Sur les locomotives, il faut un excentrique pour la marche avant et un autre pour la marche arrière.

A gauche : calage de l'excentrique pour les 2 sens de rotation.

Sur les premières locomotives il y a les 2 excentriques avec leurs bielles qui se terminent par une fourche. Un mécanisme de relevage permet d'accrocher une des bielles à la tige de tiroir suivant le sens de déplacement souhaité.

A droite : Stephenson relie les 2 bielles par une coulisse.

1842 coulisse Stephenson.
La coulisse permet de piloter le tiroir par un excentrique fictif qui se situe entre les 2 excentriques de marche avant et arrière. Le rayon et le calage de cet excentrique fictif varient avec le relevage, ce qui permet de modifier la détente.
Voir une animation où on peut faire bouger le mécanisme et le relevage avec un ascenseur, changer le sens de rotation, la vitesse..
1844 distribution Walschaerts.
La contre manivelle fourni un mouvement décalé par rapport à la manivelle moteur et d'amplitude et de calage variable avec le relevage grâce à la coulisse. Le levier d'avance permet de combiner ce mouvement avec celui du piston pour piloter le tiroir : on obtient un excentrique fictif comme avec la distribution Stephenson.
Voir une animation où on peut faire bouger le mécanisme et le relevage avec un ascenseur, changer le sens de rotation, la vitesse..

Autres exemples de distribution
:

A gauche distribution Marshall :
Le relevage modifie le point d'attache d'une bielle.
Voir une animation où on peut faire bouger le mécanisme et le relevage avec un ascenseur.

A droite distribution Hackworth :
Le relevage modifie l'orientaion d'une coulisse.

Toutes ces distributions donnent à peu près le même fonctionnement. On les choisit en fonction de la culture de l'entreprise et de la disposition de la machine (place disponible et position des organes).

Pour comprendre et calculer les excentriques fictifs, voir (en ligne) le livre de E. Sauvage Manuel de la machine à vapeur
Vous pouvez télécharger un logiciel pour voir fonctionner une distribution Stephenson, Walschaerts ou simple excentrique.
Voir des animations où on peut faire bouger le mécanisme et le relevage avec un ascenseur, changer le sens de rotation et la vitesse de différentes distributions.

Commandes admission / échappement séparées

Pour modifier la puissance d'une machine il y a 2 possibilités :
- diminuer la pression de la vapeur avec un robinet sur le tuyau d'alimentation (appelé régulateur sur les locomotives).
- modifier la longueur de la phase d'admission en changeant le cran de marche : en diminuant le cran de marche, la phase d'admission diminue, la détente augmente, ainsi la puissance diminue.

Dans les distributions à excentrique les phases sont liées :
si on réduit le cran de marche (en amenant le relevage vers la position central : le neutre) : on diminue l'admission et on augmente la détente (bien pour le rendement) mais on augmente la compression (travail résistant) et l'échappement anticipé.
Sur les locomotives la vitesse est variable et cela devient un avantage : au démarrage (vitesse faible) on a besoin de puissance avec un cran de relevage maximum. Avec la vitesse on utilise un cran moins important et l'augmentation de l'avance à l'échappement améliore le fonctionnement à grande vitesse (A. Chapelon a gardé ce système même en utilisant des soupapes).

 Sur les machines fixes, la vitesse est constante, on cherche à rendre indépendante les phases : pouvoir moduler la détente en fonction de la puissance nécessaire tout en gardant la compression et l'avance à l'échappement fixe :

Utilisation de 2 tiroirs superposés

Celui du dessous commande l'échappement et celui du dessus l'admission.

On ajoute une glissière au dessus du tiroir pour piloter l'admission. Elle est animée par son propre excentrique et sa course est modulée par le régulateur de vitesse via une coulisse.
A droite : photo d'une machine du Musée de l'histoire du fer de Jarville près de Nancy.
ou Distribution de Meyer :
le tiroir du dessus est composé de 2 écrous V et V’, taraudés en sens contraire, vissés sur leur tige de commande.
Quand le régulateur de vitesse tourne la tige dans un sens il rapproche les écrous (on augmente le temps d'admission), dans l'autre sens il écarte les écrous ( diminution de l'admission, augmentaion de la détente).
A droite : photo d'une machine du Musée de l'histoire du fer de Jarville près de Nancy.

Utilisation de déclics

Dans les admissions par obturateur ou soupape (voir chapitre rendement)  on peut ajouter un ressort qui ferme l'obturateur ou la soupape d'admission.
L'excentrique commande l'admission jusqu'à ce qu'un taquet, piloté par le régulateur de vitesse, déclenche le déclic de fin d'admission (l'obturateur ou la soupape se ferme grâce au ressort).

A gauche corliss à lame de sabre

Au milieu corliss à déclic

A droite soupape à déclic