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FONCTIONNEMENT DES MACHINES A VAPEUR : Distribution de la vapeur

Dans cette page les images s'agrandissent quand la souris passe dessus ou qu'on les clique.

Code couleurs :
- rouge : vapeur sous pression (chaude).
- bleu : échappement à l'air libre ou vers le condenseur.

La distribution est le mécanisme qui permet d'envoyer la vapeur d'un coté du piston puis de l'autre après un demi tour du mécanisme.
Au début utilisation de robinet à 4 voies (système tout ou rien).
Utilisation de soupapes à un seul siège (comme les soupapes de moteur à explosion moderne) dans les premières machines atmosphériques. 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

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 : la vapeur entre dans le cylindre.	Détente : la lumière est fermée. La vapeur se détend en communicant son énergie au piston en mouvement. (Pression et température diminuent).	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.


Autres exemples de distribution :

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 :
- modifier 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 relevage) : quand la phase d'admission diminue, la détente augmente (le rendement aussi), et la puissance diminue.

Diagrammes de Watt (visualise la pression P dans le cylindre en fonction de la position V du piston) ci contre : A gauche : petite admission, grande détente. A droite : grande admission. On voit que quand la longueur d'admission augmente la puissance (surface diagramme) augmente mais la pression en fin de détente (point D) augmente aussi : le rendement baisse car cette vapeur encore sous pression va en pure perte à l'échappement ou au condenseur. Voir page "puissance" pour calculer (estimer) la puissance d'une machine.

Dans les distributions à excentrique les phases sont liées :
si on déplace 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 relevage maximum. Avec la vitesse on utilise un relevage moins important et l'augmentation de l'avance à l'échappement et de la compression 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 améliorant le rendement) 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).