HISTOIRE DES MACHINES A VAPEUR : 20ième siècle

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Machines à pistons

Machines énormes

A gauche :
Exposition universelle de 1900, galerie production électrique.
Au premier plan machine Sulzer compound de 750 ch.
Lien vers site du Cnam

A droite :
Pompe à triple expansion de 1000 ch
Lien vers le site du musée de Kempton
production électrique :
A gauche :
Machine Sulzer-BBC compound de 1220 ch (900 kw).
Lien vers le site du musée électropolis de Mulhouse

A droite :
Machine Manhattan 8000 ch
Lien vers le site internet
Machines du Titanic : 2 machines triple expansion de 15000 ch
(l'hélice du centre est entrainée par une turbine)
Lien vers le site internet pour des détails

Machine "Liberty ship" triple expansion de 2500 ch
Pendant la 2ième guerre mondiale ces machines sont démodées mais elles sont plus simples à fabriquer que des turbines.
Lien vers le site internet pour des détails


Utilisation de la thermodynamique

Vers 1900 certains ingénieurs des chemins de fer, ayant mal compris le 2ième principe de la thermodynamique, et ayant constaté l'amélioration importante du rendement dû à la surchauffe ont cru pouvoir baisser la pression de la chaudière en augmentant la température de la vapeur avec la surchauffe. Dans le 2ième principe c'est le rendement maximum possible que l'on augmente en augmentant la température de la source chaude mais pas automatiquement le rendement réel. Après bien des essais ils sont revenus à des pressions jusqu'à 20 bars pour les machines compound.

Locomotives

Vers 1900 plusieurs systèmes sont en concurrence sur les locomotives : surchauffe, simple expansion, double expansion (compound). Après essais, le meilleur rendement est obtenu avec compound et surchauffe. Cependant certains réseaux, comme aux Usa, préfèrent garder la simplicité de la simple expansion (moindre coût de construction et d'entretient) quitte à consommer plus. La surchauffe est adoptée partout.

A partir de 1925, utilisation de réchauffeur d'eau arrivant du tender par une partie de la vapeur d'échappement (l'autre partie active le tirage dans la cheminée). Cela permet d'économiser jusqu'à 25% de combustible.

Vers 1930 André Chapelon modifie une locomotive pacifique 231 (puissance doublée, consommation réduite de 20%):
- modification échappement pour avoir un bon tirage dans la chaudière avec une contre pression faible dans le cylindre pendant l'échappement.
- diminution des pertes de charge dans le circuit vapeur : augmentation du diamètre des conduits de vapeur et des sections de passage de la distribution (utilisation de soupapes ou tiroirs cylindriques).
- surchauffe la plus haute possible.

1936 banc de mesure de Vitry.

1941 TIA traitement intégrale Armand : traitement de l'eau pour limiter les dépôts dans la chaudière. Un mécanisme ajoute dans l'eau du tender, chaque fois qu'on le rempli, un produit chimique (carbonate de soude, soude caustique, tanin) . C'est très efficace : certaines machines ont parcouru 1 million de kilomètres sans intervention sur la chaudière.

Chauffe mécanique (vis sans fin qui amène le charbon depuis le tender jusque dans la chaudière) : apparu entre les 2 guerres en Amérique puis s'est étendu en Europe dans les années 1940, 1950.

Régime de banalité : après 1944, l'arrivée des machines américaines simples et robustes (même si elles consomment plus) permet la mise en place du régime de banalité : les équipes mécanicien/chauffeur ne sont plus affecté à une seule machine (qu'ils connaissaient parfaitement et utilisaient et entretenaient au mieux).

Turbines

Éléments de mécanique des fluides

Modification de la pression dans une conduite parcourue par un fluide :
- liquide ou gaz ayant une vitesse inférieure à la vitesse du son (effet Bernouilli):
. si le diamètre diminue : la vitesse augmente et la pression diminue.
. si le diamètre augmente : la vitesse diminue et la pression augmente.
Cas le plus courant.
Ex aile d'avion : l'air va plus vite sur la face supérieure de l'aile, la pression est plus grande sous l'aile, elle est poussée vers le haut.

- gaz ayant une vitesse supérieure à la vitesse du son :
. si le diamètre augmente  : la vitesse augmente et la pression diminue.
. si le diamètre diminue: la vitesse diminue et la pression augmente.
C'est le cas des moteurs de fusées : le diamètre de la tuyère augmente pour accélérer les gaz et augmenter la poussée.

A gauche vitesse subsonique, tuyère convergente.
A droite tuyère convergente-divergente : vitesse supersonique atteinte au niveau du col puis dépassée dans le divergent.
Dans les turbines l'écoulement peut être supersonique dans les premiers étages à action puis ralenti en subsonique dans les étages suivant à réaction.

Turbines à action

La vapeur est accélérée puis glisse sur la roue qui la force à changer de direction. Ce changement de direction crée une poussée sur la roue. Comme la roue tourne cette poussée lui fourni de l'énergie et provoque un ralentissement de la vapeur.
Turbine de Laval 1889 : la vapeur est accélérée dans un convergent divergent (comme un moteur de fusée) puis elle pousse les ailettes d'une roue.
Dans les turbines à plusieurs étages les premiers étages sont généralement à action : l'accélération à lieu dans les aubages fixes.
Avantage : la pression est identique de chaque coté de la roue. Pour faire varier la puissance on peut n'alimenter qu'une partie des aubages fixes sans risque d'écoulement parasite.

Turbines à réaction

Pour sentir le phénomène de la réaction (comme pour un réacteur d'avion) mettez vous sur une balançoire immobile, les pieds ne touchant pas le sol, avec un ballon lourd dans les mains. Lancez le ballon devant vous le plus vite possible : vous reculez légèrement. Si vous continuiez à lancer des ballons, vous seriez poussé en arrière.
La vapeur, en plus de changer de direction (composante action), se détend et accélère dans les aubages de la roue. Cette accélération crée par réaction une poussée sur la roue. Dans les roues à réaction il y a aussi un effet action : on définit un degré de réaction (0 pour une roue à action, souvent 0.5 pour une roue à réaction).
A droite : profil de pression et vitesse absolue de la vapeur dans les aubages :
A l'entrée de la roue : la vitesse absolue d'entrée V2 peut être décomposée en V3 vitesse relative d'entrée et u vitesse de rotation.
A la sortie de la roue : la vitesse absolue de sortie V5 peut aussi se décomposer en V4 vitesse relative de sortie et u vitesse de rotation.
Dans la roue la vitesse relative augmente de V3 en V4 (roue à réaction). Avec la rotation de la roue la vitesse absolue diminue de V2 en V5.

Survol historique

1889 Laval : turbine à action à un seul étage (voir ci-dessus)
1894 Parsons : turbine à réaction à plusieurs étages (plusieurs roues mobiles avec des aubages fixes entre les roues pour redresser l'écoulement de la vapeur).
1898 Rateau combine action et réaction dans une turbine multicellulaire.
Début 20ième siècle généralisation de l'emploi des turbines pour produire l'électricité.
1925 turbines en usage courant dans la marine.
L'amélioration des matériaux qui autorisent l'augmentation des pressions et des températures et récemment les calculs de simulation informatique permettent d'augmenter les rendements et les puissances des turbines (Les centrales supercritiques 275 bars / 600°C atteignent 45 % de rendement, les turbines des centrales EPR atteignent une puissance de 1600 MW).
1 des 4 étages d'une turbine de 1500 MW (+ de 2 millions de chevaux)