En histoire, on a appris qu’au 19รจme siรจcle le moteur ร vapeur a jouรฉ un rรดle trรจs important dans la rรฉvolution industrielle : c’รฉtait un moteur puissant et efficace qui fonctionnait ร partir de l’รฉnergie calorifique du charbon, il transforme l’รฉnergie thermique que possรจde la vapeur d’eau fournie par une ou des chaudiรจres en รฉnergie mรฉcanique. . Le principe est simple : on fait chauffer de l’eau dans une chaudiรจre, jusqu’ร lโรฉbullition. La vapeur produite crรฉe une pression qui agit sur un piston. Les mouvements du piston sont transmis ร une manivelle qui fait tourner un volant montรฉ sur l’axe du moteur En effet cet article discute les applications actuelles des moteurs ร vapeur dans les systรจmes industriels et de nouvelles technologies qui amรฉliorent leurs performances. Par consรฉquent les principaux avantages du moteur ร vapeur proviennent de lโutilisation des applications oรน les technologies actuelles sont soit pas appropriรฉ ou ne peuvent pas รชtre rรฉduites en taille.
PRINCIPES PHYSIQUES DE LA MACHINE A VAPEURย
Gรฉnรฉralitรฉs
Les machines ร vapeur appartiennent ร la famille des convertisseurs dยดรฉnergie, qui convertissent lยดรฉnergie chimique en chaleur, puis la chaleur en รฉnergie mรฉcanique. La production de chaleur sโeffectue dans la plupart des cas par la combustion de combustibles solides, principalement de la houille (charbon). On classe la machine ร vapeur parmi les machines ร moteurs thermiques ร combustion externe, car le combustible, est brรปlรฉ en dehors du corps de lยดappareil. (Contrairement aux moteurs ร combustion interne, oรน la combustion se produit ร lโintรฉrieur du cylindre de travail, comme dans le moteur de voiture) Les machines ร combustion externes utilisent un fluide (ici la vapeur dยดeau) pour vรฉhiculer lโรฉnergie calorifique produite. La transformation en รฉnergie mรฉcanique se fait en deux รฉtapes.
โข Dans la chaudiรจre, lโรฉnergie calorifique provoque la dilatation du gaz (vapeur dโeau)
โข La partie mรฉcanique transforme la dilatation en รฉnergie mรฉcanique en provoquant une baisse de pression.
Description
La machine ร vapeur a jouรฉ un rรดle historique dans lโutilisation ร grande รฉchelle de lโรฉnergie thermique. Elle est maintenant supplantรฉe par les turbines et les moteurs ร combustion interne. Elle comporte essentiellement : le gรฉnรฉrateur de vapeur, lโappareil moteur et lโappareil de transformation.
a- Le gรฉnรฉrateur de vapeur : est constituรฉ dโun foyer oรน brรปlent le combustible et une chaudiรจre oรน lโeau, chauffรฉe par les gaz chauds de combustion, se vaporise. La tension maximale de vapeur augmentant rapidement avec la tempรฉrature, la pression dans la chaudiรจre peut entraรฎner des risques dโexplosion. Dโoรน, des accessoires importants : alimentation automatique en eau, niveau dโeau, manomรจtre, soupape de sรปretรฉ, sifflet liรฉ au flotteur dโalarme.
b- Lโappareil moteur : comporte un cylindre oรน se meut un piston. La vapeur sous pression est distribuรฉe alternativement sur chaque face du piston par divers dispositifs.
c- Lโappareil de transformation : transforme le mouvement de va-et-vient de la tige du piston en mouvement de rotation par divers systรจmes : vilebrequin ou bielle-manivelle.
ETUDES DES PRINCIPES DES FONCTIONNEMENT DE MOTEUR A VAPEUR
Description
Dans le but de connaitre un peu plus le moteur ร vapeur, il est bon de connaitre aussi le principe de fonctionnement gรฉnรฉral d’une machine vapeur, ses implications techniques ainsi que quelques rรจgles de base en physique, mรฉcanique et les applications sur le fonctionnement de la machine vapeur en gรฉnรฉral.
Dรฉfinition dโun moteur ร vapeur
โข Le moteur ร vapeur est des moteurs ร combustion externes
โข Le moteur ร vapeur est des machines qui emploient pression de la vapeur et condensation pour produire le mouvement.
โข Le machine ร vapeur se compose dโun cylindre dans lequel se dรฉplace un piston et dโune chambre de distribution permettant lโalimenter le moteur de tel sorte que le piston effectue un va-et-vient dans le cylindre
โข Plus vraiment les moteurs ร vapeur cโest un appareil de transformation de lโรฉnergie thermique en lโรฉnergie mรฉcanique et en รฉnergie รฉlectrique .
Principe du moteur ร vapeur
Le cycle thermodynamique mis en ลuvre pour un moteur ร vapeur est similaire ร celui dโune turbine ร vapeur. Par contre, la vapeur est dรฉtendue dans un ensemble de cylindre en permettant le mouvement de piston actionnant in fine un alternateur. Sa mise en ลuvre nรฉcessite la production de vapeur ร une pression minimale de 15 bars .
Les organes du moteur ร vapeur et leur fonctionย
Les organes du moteur ร vapeur se divisent en deux parties :
A- Partie fixe :
โย Le cylindre
Cโest une chambre de volume balayรฉ par les pistons lors de la course dโaspiration et cependant un tour de lโarbre manivelle
โ Rรดle
– Il sert de glissiรจre au piston.
– Il contient les gaz et permet leur รฉvolution.
– Il dรฉtermine la cylindrรฉe unitaire.
โ Chambre de distribution
Cโest une chambre de volume balayรฉ par le tiroir lors de la course dโaspiration et cependant un tour de lโarbre dโexcentrique
โ Rรดle
– Il sert de glissiรจre du tiroir.
– Il contient les gaz et permet leur รฉvolution.
โ Palier (support)
Cโest organe mรฉcanique supportant et guidant un arbre tournant.
โ Rรดle :
Pour rรฉduire les frottements, les surfaces en contact sont polies et les paliers sont gรฉnรฉralement pourvus de coussinets en bronze ou en tรฉflon, une matiรจre plastique qui favorise le glissement.
B- Partie mobile :
โย Piston
En mรฉcanique, un piston est une piรจce rigide de section gรฉnรฉralement circulaire coulissant dans un cylindre de forme complรฉmentaire. Le piston est un รฉlรฉment de forme cylindrique qui se dรฉplace en va et vient a pour but de comprimer un liquide ou gaz dans le cylindre
โ Rรดle
Il doit supporter la pression des gaz crรฉรฉe par la combustion et la transmettre par l’intermรฉdiaire de la bielle au vilebrequin ; Il doit rรฉsister aux forces latรฉrales qu’il exerce sur la paroi du cylindre ; Il doit conduire la chaleur aussi rapidement que possible ร la paroi du cylindre.
โ Tiroir
Un tiroir est un organe mรฉcanique animรฉ dโun mouvement de translation et assurant la distribution dโun fluide (par exemple la vapeur dans la machine ร vapeur)
โ Rรดle
Le tiroir est distribuรฉ la vapeur dans une chambre de distributeur.
โย Bielle
Cโest une barre rectiligne destinรฉe ร transmettre un mouvement entre deux piรจces articulรฉes ร ses extrรฉmitรฉs suivant des axes parallรจle La bielle est la piรจce mรฉcanique dont une extrรฉmitรฉ est liรฉe au piston par l’axe de piston et l’autre extrรฉmitรฉ au maneton du vilebrequin.
โ Rรดle
Elle permet la transformation du mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement circulaire continu du vilebrequin.
โย Manivelle (Gรฉnรฉralement appelรฉe vilebrequin)
Arbre qui transforme un mouvement rectiligne alternatif, notamment celui de lโensemble piston-bielle dโun moteur thermique, en mouvement circulaire.
โ Rรดle
Il reรงoit l’effort transmis par les pistons et les bielles et fournit un mouvement circulaire en sortie du moteur.
โย Excentrique
Mรฉcanisme destinรฉ ร transformer le mouvement de rotation dโune piรจce en un mouvement alternatif aussi.
โ Rรดle
Commande le mouvement de va et vient du tiroir qui est assurรฉ lโouverture et fermeture de lโadmission et dโรฉchappement.
โย Volant dโinertie
Cโest un organe tournant dโune machine, constituรฉ par un solide ayan un grand moment dโinertie par rapport ร son axe et destinรฉ ร en rรฉgulariser la marche. Cโest une masse d’inertie servant ร rรฉgulariser la rotation du vilebrequin.
โ Rรดle
Elles servant ร rรฉgulariser la vitesse de rotation de l’arbre.
โย Arbre moteur
Cโest un axe qui transmet un mouvement (arbre came).
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Table des matiรจres
INTRODUCTION
PARTIE I : PRINCIPES PHYSIQUES DE LA MACHINE A VAPEUR
1. GENERALITES:
1.1. DESCRIPTION
1.2. ETUDE THEORIQUE DโUN MOTEUR A VAPEUR
A. Evolution dโun moteur ร vapeur
B. Les techniques de James Watt
2. DESCRIPTION
2.1. Dรฉfinition dโun moteur ร vapeur
Excentrique
2.2. Caractรฉristique dโun moteur ร vapeur
2.3. Choix du model a รฉtudier
2.4. schรฉma de fonctionnement du moteur ร tiroir cylindrique double effet
2.5. Choix des mรฉcanismes de transmission de lโappareil
PARTIE II : CHOIX DE MODE FONCTIONNEMENT DE CET APPAREIL
3.1. Les รฉlรฉments de calcul de base
3.2. รtude thรฉorique de lโair
3.3. Dimensionnement du moteur ร vapeur ร simple effet
3.4. Dimensionnement dโun moteur ร vapeur ร tiroir double effet
3.5. Eude dโune chambre de distribution
3.2. Dimensionnement du cylindre
3.4. Dimensionnement des รฉlรฉments de transmission
3.5. LA MANIVELLE
3.6. Dimensionnement du volant dโinertie
3.7. Dimensionnement de roulement
PARTIE III : LA REALISATION PLUS ESSAIS DE CET APPAREIL
4.1. Indications pour la rรฉalisation
4.3. MATERIAUX UTILES
4.4. Les essais
Partie IV : IMPLICATION PEDAGOGIQUE
5.1. Etude Cinรฉmatique dโun systรจme bielle-manivelle
5.2. Etude dynamique
CONCLUSION