Moteur à vapeur

Moteur à vapeur, machine utilisant la puissance de la vapeur pour effectuer un travail mécanique par l’intermédiaire de la chaleur.

Quiz Britannica

Inventeurs et Inventions

Nos premiers ancêtres humains ont inventé la roue, mais qui a inventé le roulement à billes qui réduit le frottement rotatif ? Faites tourner les roues dans votre tête tout en testant vos connaissances sur les inventeurs et leurs inventions dans ce quiz.

Un bref traitement des moteurs à vapeur suit. Pour un traitement complet de la puissance et de la production de la vapeur et des moteurs à vapeur et des turbines, voir Conversion de l’énergie : Moteurs à vapeur.

Dans un moteur à vapeur, la vapeur chaude, généralement fournie par une chaudière, se détend sous pression, et une partie de l’énergie thermique est convertie en travail. Le reste de la chaleur peut s’échapper ou, pour un rendement maximal du moteur, la vapeur peut être condensée dans un appareil séparé, un condenseur, à une température et une pression comparativement faibles. Pour un rendement élevé, la vapeur doit passer par une large gamme de températures en raison de sa dilatation dans le moteur. Le rendement le plus efficace, c’est-à-dire la plus grande production de travail par rapport à la chaleur fournie, est obtenu en utilisant une température de condenseur basse et une pression de chaudière élevée. La vapeur peut être chauffée davantage en passant par un surchauffeur lors de son trajet de la chaudière au moteur. Un surchauffeur commun est un groupe de tuyaux parallèles dont les surfaces sont exposées aux gaz chauds du four de la chaudière. Grâce aux surchauffeurs, la vapeur peut être chauffée au-delà de la température à laquelle elle est produite par l’ébullition de l’eau.

Dans un moteur alternatif, le type de moteur à vapeur à piston et cylindre, la vapeur sous pression est admise dans le cylindre par un mécanisme de soupape. En se détendant, la vapeur pousse le piston, qui est généralement relié à une manivelle sur un volant d’inertie pour produire un mouvement rotatif. Dans le moteur à double effet, la vapeur de la chaudière est admise alternativement de chaque côté du piston. Dans un moteur à vapeur simple, l’expansion de la vapeur a lieu dans un seul cylindre, alors que dans le moteur composé, il y a deux ou plusieurs cylindres de taille croissante pour une plus grande expansion de la vapeur et un meilleur rendement ; le premier et plus petit piston est actionné par la vapeur initiale à haute pression et le second par la vapeur à plus basse pression évacuée par le premier.

Dans la turbine à vapeur, la vapeur est évacuée à grande vitesse à travers des buses, puis s’écoule à travers une série d’aubes fixes et mobiles, provoquant le déplacement d’un rotor à grande vitesse. Les turbines à vapeur sont plus compactes et permettent généralement des températures plus élevées et des taux d’expansion plus importants que les moteurs à vapeur alternatifs. La turbine est le moyen universel utilisé pour générer de grandes quantités d’énergie électrique avec de la vapeur.

Les premières machines à vapeur sont les nouveautés scientifiques d’Héron d’Alexandrie au 1er siècle de l’ère chrétienne, comme l’éolipile, mais ce n’est qu’au 17e siècle que l’on tente d’exploiter la vapeur à des fins pratiques. En 1698, Thomas Savery a fait breveter une pompe avec des valves actionnées à la main pour faire remonter l’eau des mines par la succion produite par la condensation de la vapeur. Vers 1712, un autre Anglais, Thomas Newcomen, a mis au point une machine à vapeur plus efficace avec un piston séparant la vapeur condensée de l’eau. En 1765, James Watt a grandement amélioré le moteur Newcomen en ajoutant un condenseur séparé pour éviter de chauffer et de refroidir le cylindre à chaque course. Watt développe ensuite un nouveau moteur qui fait tourner un arbre au lieu de fournir le simple mouvement de haut en bas de la pompe, et il ajoute de nombreuses autres améliorations pour produire une centrale électrique pratique.

Une encombrante voiture à vapeur pour les routes a été construite en France par Nicholas-Joseph Cugnot dès 1769. Richard Trevithick, en Angleterre, fut le premier à utiliser une voiture à vapeur sur un chemin de fer ; en 1803, il construisit une locomotive à vapeur qui, en février 1804, effectua avec succès une course sur un parcours en horécar au Pays de Galles. L’adaptation de la machine à vapeur aux chemins de fer est devenue un succès commercial avec la fusée de l’ingénieur anglais George Stephenson en 1829. Le premier bateau à vapeur pratique était le remorqueur Charlotte Dundas, construit par William Symington et essayé sur le canal Forth et Clyde, en Écosse, en 1802. Robert Fulton applique le moteur à vapeur à un bateau de passagers aux États-Unis en 1807.

Bien que la machine à vapeur ait cédé la place au moteur à combustion interne comme moyen de propulsion des véhicules, l’intérêt qu’elle suscite s’est ravivé dans la seconde moitié du 20e siècle en raison des problèmes croissants de pollution atmosphérique causés par la combustion de combustibles fossiles dans les moteurs à combustion interne.