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Manuel d’utilisation du groupe propulseur de LA VIGIE |
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4. Notions sur la machine
La machine de
La Vigie est une machine à vapeur alternative verticale à double effet, double expansion avec deux cylindres disposés
côte à côte.
Les cylindres
Les cylindres sont des pièces creuses en fonte, alésées à l’intérieur à
88,9 mm pour le cylindre haute pression et 203,1 mm pour le cylindre basse pression, portant aux extrémités des brides pour la fixation des fonds. Les couvercles
de cylindre pénètrent légèrement à l’intérieur des cylindres afin de laisser entre
la surface intérieure et le piston, à fond de course un espace de quelques millimètres. Les fonds présentent dans la partie centrale une cavité qui laisse le logement à l’écrou de fixation du piston sur sa tige.
En haut et en bas de chaque cylindre il y a des robinets de purges. Ces robinets
doivent être ouverts à chaque arrêt de la machine et refermés après le
réchauffement des cylindres.
Le piston et la tige
Le piston, tout comme les segments qui servent de garniture est en fonte et garni de gorges dans lesquelles sont logés les segments. Ces segment sont pressées contre la paroi du cylindre par leur élasticité et assurent l’étanchéité entre leurs deux faces respectives.
Les pistons ont une course de 114,2 mm. Ils doivent :
avoir un frottement doux
être étanche à la vapeur qui ne doit pas pouvoir passer d’une face à l’autre
avoir une rigidité suffisante pour résister à la pression de la vapeur
Les tiges des pistons
sont reliées rigidement au piston et articulées au pied de bielle motrice.
Étant soumises à des efforts alternatifs de traction et de compression, elles
sont en acier forgé, à haute limite élastique.
L’emmanchement de la tige dans le piston est cylindrique et fixé à l’aide d’un écrou et d’un contre-écrou.
Le presse-étoupe
Le presse-étoupe est un organe d’étanchéité qui permettant le passage de la tige du piston, tout en interceptant la communication entre l’intérieur et l’extérieur des cylindres et l’atmosphère. Il se compose de trois parties :
la boîte,
le chapeau dont le serrage assure l’étanchéité
la garniture qui doit être suffisamment plastique pour bien remplir tous les vides de la boîte et en même temps élastique.
Pour laisser glisser librement la tige. La garniture est souvent une tresse d’amiante graphitée
de 5 mm de côté ou de cordonnets de chanvre enduit de graisse graphitée.
Pour le remplacement des tresses de piston couper un morceau de 80 mm de
longueur. Pour celui des tresses de tiroir, couper un morceau de 50 mm.
Crosse, glissière, bielle, excentrique
A l’extrémité de la tige opposée au piston est vissée la crosse, en acier. Elle porte en haut et en bas des patins qui se meuvent sur des glissières appropriées, fixées rigidement sur le bâti.
La bielle est en acier doux. Aux deux extrémités elle porte des articulations avec la crosse en haut (pied de bielle) et la manivelle en bas. Le pied de bielle a un mouvement alternatif rectiligne.
La glissière est nécessaire pour former réaction à la pression qui s’exerce normalement à la tige, par suite de l’obliquité de la bielle. Elle n’est pas munie de contre-glissière.
L’arbre moteur
L’arbre moteur est en acier forgé, muni de coudes,
vilebrequin,
manivelles, pour la jonction avec les têtes de bielle. Les manivelles des pistons
HP et BP sont calées à 90°.
Le tout est appelé vilebrequin ou arbre à manivelles. Côté bâche à eau il est muni d’un volant
d’inertie (diamètre 250 mm, épaisseur 46 mm)
avant d'être raccordé à l’arbre d’hélice par un cardan.
Les paliers
Les paliers de l’arbre ou vilebrequin sont en fonte avec coussinets et revêtement en bronze à l’intérieur. Ils sont conçus de manière à pouvoir compenser l’usure par un dispositif de serrage, on dit qu’ils sont à « rattrapage de jeu ». Lorsque l’usure des coussinets est trop importante, il faut alors les réguler avec un alliage comportant généralement 4 à 5 % de cuivre, 70 à 95 % d’étain et 5 à 10 % d’antimoine.
Le bâti
C’est la pièce de fonte sur laquelle sont montés les divers organes constitutifs du moteur. Le bâti est rigidifié par
quatre colonnes en
acier et entretoisée en leur milieu. Il a pour but de relier entre eux les organes et d’assurer leur constante position, malgré les efforts importants qu’ils subissent.
Mode d’action de la vapeur dans les cylindres
La vapeur agit par sa pression sur la surface du piston haute pression dont les deux faces sont mises alternativement en communication (double effet) avec la vapeur vive ou admission, c’est à dire avec la vapeur dont la pression est contrôlée par le mécanicien.
Cette mise en communication automatique est obtenue grâce au système de distribution commandé par une paire de tiroirs plans HP et BP.
Les tiroirs
Les tiroirs HP et BP sont constitués
de :
la chambre du tiroir fermée par une plaque boulonnée étanche
la glace qui est une surface d’appui frottante qui est commandée par la tige. Elle est polie, on l’appelle aussi table des lumières,
la barrette, parties du tiroirs qui masque ou démasque les orifices du cylindre,
tige de conduite avec filetage qui permet le réglage de la barrette.
La course du tiroir est impulsée par la bielle d’excentrique, elle est égale au double du rayon d’excentrique.
Le calage du tiroir est l’angle formé par la manivelle du piston, ou manivelle motrice avec le rayon d’excentrique du tiroir.
On appelle recouvrement du tiroir les quantités dont les arêtes du tiroir débordent celles correspondantes des orifices du cylindre quand le tiroir est à mi-course, c’est à dire dans la position moyenne. Les tiroirs sont soumis à la pression de la vapeur qui les applique sur leur glace et assure ainsi l’étanchéité
Il y a 4 recouvrements réglables, 2 pour l’admission et 2 pour l’échappement :
recouvrement à l’admission haut-vapeur,
recouvrement à l’échappement haut-vapeur,
recouvrement à l’admission bas-vapeur,
recouvrement à l’échappement bas-vapeur.
La mesure des recouvrements se fait toujours lorsque les tiroirs sont à mi-course.
Transformation du mouvement
Le piston, alternativement poussé sur l’une et l’autre de ses faces, prend un mouvement rectiligne alternatif que l’on transforme en un mouvement circulaire continu au moyen du système bielle manivelle. La tige du piston est reliée à une extrémité au piston (tête de bielle) et à l’autre à la crosse (pied de bielle) qui se déplace sur une glissière unique. Sur la crosse est articulée l’extrémité de la bielle dont l’autre extrémité s’articule sur la manivelle motrice. La manivelle est solidaire de l’arbre moteur.
Excentrique
Avec un système bielle-manivelle, on transforme un mouvement rectiligne alternatif en mouvement circulaire et réciproquement. C’est sur la partie mouvement circulaire qu’on se branche pour la commande des tiroirs.
À cet effet, la tige du tiroir est réunie à un plateau circulaire calé sur l’arbre moteur, tournant avec lui, non autour de son centre mais autour d’un centre de l’arbre excentré par rapport au sien. Ce plateau est embrassé sur sa circonférence par un anneau ou collier d’excentrique portant une tige droite ou barre d’excentrique, elle-même reliée à la tige du tiroir ; il tourne, en frottant, dans le collier et communique un mouvement rectiligne alternatif à la barre d’excentrique. On obtient ainsi le même déplacement, c’est à dire la même course qu’avec la manivelle qui aurait pour longueur l’excentrique OC.
Pour le guidage longitudinal, le collier présente intérieurement une rainure-guide dans laquelle s’engage le plateau.
La calage est en principe à 90° par rapport, à la manivelle de manière à ce que, lorsque le piston est en bout de sa course, le tiroir commence à ouvrir :
d’un côté la lumière à l’admission et
de l’autre côté la lumière à l’échappement.
L’admission n’est donc pleinement ouverte qu’à la moitié de la course du piston. C’est pour cette raison que les constructeurs ont avancé cette admission en augmentant ou en diminuant l’angle de calage, d’un angle appelé angle d’avance. Cette disposition, en même temps qu’elle donne une admission anticipée, fait également découvrir un peu plus tôt les arêtes d’échappement et permet à la vapeur de s’évacuer plus vite et d’augmenter le rendement de la machine par une réduction de la contre-pression, c’est-à-dire la pression résiduelle côté échappement du piston. Pour information, on appelle pression effective la différence entre la pression et la contre-pression.
La détente
Ce système entraîne une grande consommation de vapeur lors de son admission pendant toute la course du piston. En effet celle-ci est évacuée à pleine ou quasi pleine pression qui n’est pas totalement utilisée lors de la détente. Afin de mieux tirer partie de cette détente, on n’admet la vapeur dans le cylindre que pendant une fraction de la course du piston, ainsi pendant le reste de la course, la vapeur admise se détend dans le cylindre et c’est la propriété élastique, d’expansion de la vapeur qui continue d’agir lorsque son admission est interrompue. On dit qu’on admet au 1/3 ou à la moitié selon le calage.
Les phases de la distribution
Lorsque l’excentrique est calé à 90°, il n’y a que deux phases, l’admission et l’échappement, phases qui durent pendant la course complète du piston. En modifiant le calage on peut obtenir jusqu’à 6 phases :
course aller du piston
admission
détente
avance à l’échappement
course retour
échappement
compression
avance à l’admission
Ces phases s’expriment en pour cent de la course du piston côté haut-vapeur et côté bas-vapeur. Exemple
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haut-vapeur |
bas-vapeur |
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admission |
38% |
35% |
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détente |
60% |
62% |
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avance à l’échappement |
2% |
3% |
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échappement |
85% |
83% |
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compression |
14% |
15% |
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avance à l’admission |
1% |
2% |
Sur la machine le la Vigie, le calage est fixe et le pourcentage d’admission n’est pas ou peu sensible.
Machine compound
Lorsque la détente est effectuée dans un seul cylindre, on dit que la machine est à simple expansion la vapeur est utilisée qu’une seule fois et double effet car elle agit sur les deux faces du piston. Si la valeur de l’admission n’est pas variable on parle d’une détente fixe, si au contraire, elle est modifiable on parle de détente variable.
La machine de la Vigie comprend deux cylindres, c’est une machine à double expansion ou « compound » (il existe des machines à détentes multiples, jusqu’à quatre expansions).
Le premier cylindre qui admet la vapeur est dit cylindre haute pression HP, le deuxième est appelé cylindre basse pression BP. Les deux cylindres sont séparés par un réservoir « receiver » c’est ce qui
la différencie de la machine de Woolf qui n’a pas de réservoir.
En fait sur la machine de la Vigie, étant donné la proximité des cylindres, ce sont les conduits qui mènent du cylindre HP au cylindre BP qui font office de réservoir, mais ceux-ci sont difficilement
visible étant pris dans la masse.
La vapeur travaille avec une faible détente dans le cylindre HP dont l’échappement se fait dans ce réservoir intermédiaire qui alimente à son tour le cylindre BP ou « cylindre d’expansion » où la vapeur cette fois travaille avec une grande détente avant de s’échapper vers le condenseur. Chaque cylindre possède son tiroir indépendant commandé par une tige.
Action physique de la vapeur dans le cylindre (action des parois)
Les parois du cylindre, le piston et sa tige constituent des organes qui ont pour effet de refroidir la vapeur. En effet, les parois sont extérieurement, en contact avec l'air ; quant au piston, l'une des faces est en contact avec une vapeur sensiblement à la pression atmosphérique, ou à une pression moindre. De plus s'il y a un condenseur, la face du piston en contact avec la condensation est beaucoup plus froide que celle qui agit sur l'autre face.
Il en résulte qu'à l'admission, au moment où la vapeur est introduite (dans le cylindre, il s'en condense une partie, en gouttelettes, sur les diverses parois, c'est la condensation initiale. Il y a abaissement de température de la vapeur et chute de la pression. La ligne de pression, dans un diagramme, au lieu de rester horizontale, est légèrement inclinée.
Pendant la détente, la pression éliminant, une partie de l'eau de condensation se re-vaporise en reprenant du calorique aux parois. Au moment de l'échappement, l'intérieur du cylindre arrive en communication avec l'atmosphère, à une pression encore plus faible.
On peut protéger le cylindre contre le refroidissement extérieur en l'enveloppant de matières calorifuges, comme les conduites de vapeur. Quant au refroidissement intérieur, il est difficile de l'éviter sans augmenter la pression à l'échappement, ce qui entraîne de la contre-pression. Celle-ci développe une puissance négative, qui vient en déduction de celle fournie par l'action de la vapeur sur le piston; cette perte est même plus considérable que celle résultant de la condensation due au refroidissement.
Un moyen efficace permet de combattre la perte par condensation : la chemise de vapeur.
Sur la machine de la Vigie, il n'y a pas d'enveloppe de vapeur, seulement un
calorifugeage en acajou avec une lame d'air de 15 mm.
Le volant
Le volant est une roue métallique dont le diamètre sur le
moteur de
la Vigie a un diamètre de 250 mm, et une épaisseur de 6 mm.
Il est monté sur l’arbre moteur et sert à régulariser l’allure de la machine en atténuant les variations périodiques dues :
à l’action variable de la vapeur,
à l’inertie des pièces à mouvement alternatif,
aux défauts d’équilibrage,
au mode de transformation de mouvement.
Il joue le rôle d’accumulateur d’énergie mécanique en absorbant sous forme de puissance vive ½ MV2, l’excès d’énergie motrice quand elle se produit, pour la restituer quand l’énergie résistante devient prépondérante. Il participe à la régularité du nombre de tours/minutes (300 tours/mn pour La Vigie) et il est équilibré.
Appareils de distribution
La distribution est l’âme de la machine à vapeur. C’est elle qui régule la marche et permet une utilisation économique de la vapeur. Le système de distribution de la machine de
la Vigie est un système par glissement à tiroir plan, système simple et robuste.
Mise en marche, changement de marche, arrêt
Le mécanicien aura à commander :
la mise en marche,
le changement de marche avec positionnement du tiroir dans le sens voulu et réglage de l’admission de vapeur,
l’arrêt
L’ensemble du dispositif de distribution de la machine de
la Vigie est la coulisse.
La conduite des tiroirs par le seul excentrique, convient à la plupart des machines destinées à tourner dans un seul sens (pompes). Pour celles qui doivent tourner dans les deux sens (locomotives, machines de navigation, machines d’extraction) on fait appel à la coulisse dont le principe est dû à Stephenson.
La coulisse de distribution comporte non pas un mais deux excentriques, disposés symétriquement sur l’arbre moteur et calés avec un angle d’avance ordinaire, un pour chaque sens de marche. Les deux barres d’excentriques s’articulent aux extrémités d’une pièce en arc de cercle
appelée coulisse à laquelle elles donnent un mouvement d’oscillation. Dans les rainures de la coulisse est engagé un coulisseau lui même fixé à la tige du tiroir. Un système de levier (changement de marche) tournant autour d’un arbre (arbre de relevage) permet en relevant ou abaissant la coulisse d’impulser au coulisseau la commande d’un des excentriques et donner le sens de marche AV ou AR.
Il existe d’autres systèmes de coulisse différents de celle de Stephenson.
