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  • Quel est le fonctionnement de la machine à vapeur ?

    La chaudière chauffe l'eau pour la transformer en vapeur. La pression générée est ensuite utilisée pour pousser un piston à l'intérieur d'un cylindre. Le piston est accroché à une bielle qui permet de transformer le mouvement de translation en mouvement de rotation.
  • Quels sont les effets de la machine à vapeur ?

    Les machines à vapeur permettent de simplifier des processus d'extraction et de fabrication. Un premier exemple est l'extraction du charbon. Ce processus est simplifié et son rendement augmente par l'instauration de machine à vapeur, ce qui a une influence directe sur la baisse du prix du charbon au XVII e si?le.
  • Avantage: on peut utiliser n'importe quel combustible (charbon, bois, pétrole ,..) et faire tourner des machines en absence de vent (moulin à vent) et loin des rivières (moulin à eau).

UNIVERSITE D"ANTSIRANANA

ECOLE NORMALE SUPERIEURE POUR L"ENSEIGNEMENT

TECHNIQUE (E. N. S. E. T)

Mémoire de fin d"étude pour l"obtention du

Certificat d"Aptitude Pédagogique de l"Ecole

Normale (C. A. P. E. N)

ETUDE ET REALISATION

D"UN MOTEUR A VAPEUR

Premièrement, je remercie le seigneur qui m"a donné le pouvoir et le courage de finir cet ouvrage avec persévérance. Ensuite, j"adresse ici mon sincère remerciement les deux encadreurs Docteur MAMONJISOA Pierre et Monsieur TOMBORAVO Delphin pour ses aides précieuses durant l"accomplissement de ce travail. Tous mes remerciements s"adressent aussi à Monsieur CANISIUS Ulrich le président de jury ainsi que les membres qui vont composer mon jury. Et surtout à tous les enseignants de l"Ecole Normale Supérieure pour l"Enseignement Technique sans quoi ce mémoire n"aura pas lieu s"ils n"ont pas été là durant ces cinq années académiques. Je dédie mes remerciements à tous mes amis (es) et mes collègues pour leurs amabilités et preuve de l"amitié. Enfin, je ne peux oublier mes parents qui m"ont toujours soutenue dans mes études et n"ont jamais hésité de faire tous possibles pour que je réussisse.

ECOLE NORMALE SUPERIEURE POUR L"ENSEIGNEMENT

TECHNIQUE ANTSIRANANA

<Objectif : Réalisation d"une maquette du moteur à vapeur pour servir des travaux pratiques de laboratoire On peut utiliser le moteur à vapeur comme source de l"énergie mécanique nécessaire à l"entrainement d"un mécanisme ou d"une machine.

Travaux demandées

Etudier les principes de fonctionnement du moteur à vapeur Faire les choix de mode de fonctionnement de cet appareil Faire la réalisation plus essais de cet appareil Proposer une manuelle d"utilisation de cet appareil

En déduire un document pédagogique concernant la transformation de mouvement rectiligne alternatif en mouvement

de rotation continue

Responsable

Monsieur MAMONJISOA Pierre Monsieur TOMBORAVO Delphin

ETUDE ET REALISATION D"UN MACHINE A VAPEUR

INTRODUCTION

En histoire, on a appris qu'au 19ème siècle le moteur à vapeur a joué un rôle très important dans la révolution industrielle : c'était un moteur puissant et efficace qui fonctionnait à partir de l'énergie calorifique du charbon, il transforme l'énergie thermique que possède la vapeur d'eau fournie par une ou des chaudières en

énergie mécanique.

. Le principe est simple : on fait chauffer de l'eau dans une chaudière, jusqu'à l"ébullition. La vapeur produite crée une pression qui agit sur un piston. Les mouvements du piston sont transmis à une manivelle qui fait tourner un volant monté sur l'axe du moteur En effet cet article discute les applications actuelles des moteurs à vapeur dans les systèmes industriels et de nouvelles technologies qui améliorent leurs performances. Par conséquent les principaux avantages du moteur à vapeur proviennent de l"utilisation des applications où les technologies actuelles sont soit pas approprié ou ne peuvent pas être réduites en taille. Vu importance de la révolution du point de vues technologique, autre mécanique même, puis dans la formation des jeunes esprits, nous avons choisi ce thème " ETUDE ET REALISATION D"UN MOTEUR A VAPEUR ». L"objectif de ce travail est " Réalisation d"une maquette du moteur à vapeur pour servir des travaux pratiques de laboratoire ». On peut utiliser le moteur à vapeur comme source de l"énergie mécanique nécessaire à l"entrainement d"un mécanisme ou d"une machine. Ainsi, le travail demandé est divisé en cinq grandes parties. Dans la première partie : étude des principes de fonctionnement du moteur à vapeur. Deuxième partie, choix de mode fonctionnement de cet appareil. Troisième partie la réalisation plus essais de cet appareil. Quatrième partie proposer une manuelle d"utilisation de cet appareil. Et en fin cinquième partie document pédagogique concernant la transformation de mouvement rectiligne alternatif en mouvement de rotation continue.

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PARTIE PRINCIPES PHYSIQUES DE LA MACHINE A VAPEUR

1. Généralités

Les machines à vapeur appartiennent à la famille des convertisseurs d´énergie, qui convertissent l´énergie chimique en chaleur, puis la chaleur en énergie mécanique. La production de chaleur s"effectue dans la plupart des cas par la combustion de combustibles solides, principalement de la houille (charbon). On classe la machine à vapeur parmi les machines à moteurs thermiques à combustion externe, car le combustible, est brûlé en dehors du corps de l´appareil. (Contrairement aux moteurs à combustion interne, où la combustion se produit à l"intérieur du cylindre de travail, comme dans le moteur de voiture) Les machines à combustion externes utilisent un fluide (ici la vapeur d´eau) pour véhiculer l"énergie calorifique produite. La transformation en énergie mécanique se fait en deux étapes. · Dans la chaudière, l"énergie calorifique provoque la dilatation du gaz (vapeur d"eau) · La partie mécanique transforme la dilatation en énergie mécanique en provoquant une baisse de pression.

1.1. Description

La machine à vapeur a joué un rôle historique dans l"utilisation à grande échelle de l"énergie thermique. Elle est maintenant supplantée par les turbines et les moteurs à combustion interne. Elle comporte essentiellement : le générateur de vapeur, l"appareil moteur et l"appareil de transformation. a- Le générateur de vapeur : est constitué d"un foyer où brûlent le combustible et une chaudière où l"eau, chauffée par les gaz chauds de combustion, se vaporise. La tension maximale de vapeur augmentant rapidement avec la température, la pression dans la chaudière peut entraîner des risques d"explosion. D"où, des accessoires importants : alimentation automatique en eau, niveau d"eau, manomètre, soupape de sûreté, sifflet lié au flotteur d"alarme. b- L"appareil moteur : comporte un cylindre où se meut un piston. La vapeur sous pression est distribuée alternativement sur chaque face du piston par divers dispositifs. Les figures (1) montrent, en schéma, le dispositif à tiroir commandé par la rotation de l"arbre moteur.

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Figure.1 Dispositif à tiroir-vilebrequin

c- L"appareil de transformation : transforme le mouvement de va-et-vient de la tige du piston en mouvement de rotation par divers systèmes : vilebrequin ou bielle-manivelle. La figure (1) montre le système à vilebrequin. La figure (2) montre le système bielle-manivelle ; le mouvement alternatif de la bielle fait tourner la manivelle qui entraîne l"arbre moteur ; l"arbre fait tour complet pour un aller et retour (un cycle) du piston. Le volant, lourde roue entraînée par l"arbre moteur, régularise le mouvement et l"excentrique commande le mouvement du tiroir.

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Fig.2 : dispositif tiroir bielle-manivelle

1.2. Etude théorique d"un moteur a vapeur

1.2.1. Historique d"un moteur à vapeur

Pour mieux comprendre dans quel contexte M. Giffard a conçut sa machine, il est intéressant de connaitre l"historique de l"utilisation de la vapeur à son époque et de voir son évolution.

A. Evolution d"un moteur à vapeur

La machine à vapeur a connu de nombreuses évolutions au cours des siècles. Les premières traces d"utilisation de la vapeur ont été découvertes dans les reliques de l"ancienne civilisation égyptienne. L"éolipyle (voir figure 3) du grec Héron d"Alexandrie se composait d"un chaudron avec couvercle étanche auquel s"élevaient deux tuyaux. Entre ces bras, au dessus du chaudron, se tenait une sphère dont l"axe de rotation creux était

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également relié aux deux bras. Deux tubes incurvés étaient fixés à la périphérie

de la sphère de façon opposée. Quand l"eau du chaudron placée sur le feu entrait

en ébullition, la vapeur s"échappait par les deux tubes incurvés. Grâce à la

différence de pression entre l"intérieur de la sphère et l"extérieur, la sphère se mettait à tourner. Figure 3 : Eolipyle crée par Héron d"Alexandrie Mais les plus grosses avancées à ce sujet sont apparues en Grande-Bretagne. Notamment, Thomas Savery, ingénieur anglais et militaire, avait remarqué les difficultés d"extraction de l"eau des mines britanniques et déposa un brevet en

1698 pour une invention capable de résoudre ce problème.

Son système, (voir figure 4), est composé d"une bouilloire (1) où est produite la vapeur d"eau qui est alors entrainée dans un réservoir d"eau (2) où est relié un tuyau d"aspiration. Le tuyau d"aspiration est fermé. En coupant l"arrivée de vapeur, la vapeur va se condenser créant ainsi une dépression. Ainsi, en ouvrant la vanne d"aspiration, la pression atmosphérique va pousser l"eau dans le réservoir. Figure 4 : Schéma de fonctionnement de l"invention de Savery Au cours des années suivantes il perfectionna son système pour arriver à une machine vraiment efficace et autonome en 1702.

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En 1698, Savery s"associa avec l"ingénieur Thomas Newcomen et c"est ensemble qu"ils mirent au point, en 1712, la première machine atmosphérique utilisable. Cette machine à balancier (voir figure 5) fût construite pour le pompage des eaux dans les puits de manière performante. Le but était de souffler de la vapeur chaude en bas d"un cylindre pour qu"il pousse le piston vers le haut, puis on aspergeait le cylindre d"eau, la vapeur se condensait et ensuite la pression de l"air extérieur poussait à nouveau le piston vers le bas. Ce mouvement de piston entrainait un balancier d"où l"on pouvait extraire l"eau. Mais c"est durant le 18ème qu"un certain James Watt participe à deux nombreuses améliorations qui révolutionnèrent ce type de système. Nous allons donc voir quelles sont les modifications qu"il a pu apporter. Figure 5 : Machine à vapeur de Newcomen, dans l"Encyclopédie Meyer de 1890

B. Les techniques de James Watt

James Watt ont grandement contribué à l"évolution des machines à vapeur avec ses diverses inventions au cours du 18ème siècle. En effet, grâce à son savoir faire, les machines à vapeur ont pu trouver une place dans le milieu industriel. Il a su améliorer fortement la puissance et la régularité des machines de Newcomen. Nous allons voir par la suite les différentes modifications qu"il a pu apporter au système de son prédécesseur :

Le condenseur externe :

Pour condenser sa vapeur, Newcomen utilisait un jet d"eau à l"intérieur du cylindre mais cela refroidissait considérablement les parois. Watt eut alors l"idée d"utiliser un condenseur externe. Celui placé en dessous du cylindre est de forme cylindrique. Par un tuyau latéral arrive la vapeur qui est condensée à l"aide d"un jet d"eau froide. Ce condenseur baigne dans de l"eau froide qui est recyclée lorsqu"elle est trop réchauffée à l"aide d"une pompe d"épuisement.

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· Le régulateur de Watt :

Pour réguler la vitesse de rotation de la machine on utilise un volant d"inertie. En effet, lorsque la machine tourne trop vite celui-ci accumule une partie de l"énergie. Mais le volant ne suffit pas à uniformiser totalement la vitesse de la machine. C"est pourquoi Watt eut l"ingénieuse idée d"inventer le régulateur à boules (voir figure 6). Ce système comporte un axe auquel deux boules sont reliées par deux tiges. Lorsque la machine tourne l"axe tourne et écarte plus ou moins les boules de celui-ci par force centrifuge.

Figure 6 : Régulateur de Watt

Ce mouvement entraine un collet vers le haut, ce qui va modifier l"inclinaison d"une fourchette. Cette fourchette va directement agir sur l"admission de vapeur. Donc si la machine tourne trop vite ce régulateur va pouvoir diminuer l"admission de vapeur et la machine retrouvera sa vitesse d"origine.

· Le balancier

Avec son parallélogramme articulé : Le balancier est un dispositif ingénieux permettant de convertir le mouvement rectiligne du piston en un mouvement de rotation permettant de faire tourner l"arbre moteur.

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Figure 7 : Balancier articulé de Watt

· Le cylindre double effet :

Newcomen exploitait la pression de la vapeur sur un simple côté du piston. Pour augmenter la puissance des machines, J. Watt eut l"idée d"exploiter les deux cotés du piston d"où l"appellation " double effet » (voir figure 8). Le piston est alors considéré comme moteur dans la phase de compression et de détente. Pour accompagner ce phénomène il faut évidemment alterner l"admission et le refoulement de la vapeur des deux cotés du piston

Figure 8 : Cylindre double effet

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PARTIE ETUDES DES PRINCIPES DES FONCTIONNEMENT DE MOTEUR A

VAPEUR

2. Description

Dans le but de connaitre un peu plus le moteur à vapeur, il est bon de connaitre aussi le principe de fonctionnement général d'une machine vapeur, ses implications techniques ainsi que quelques règles de base en physique, mécanique et les applications sur le fonctionnement de la machine vapeur en général.

2.1. Définition d"un moteur à vapeur

· Le moteur à vapeur est des moteurs à combustion externes · Le moteur à vapeur est des machines qui emploient pression de la vapeur et condensation pour produire le mouvement. · Le machine à vapeur se compose d"un cylindre dans lequel se déplace un piston et d"une chambre de distribution permettant l"alimenter le moteur de tel sorte que le piston effectue un va-et-vient dans le cylindre · Plus vraiment les moteurs à vapeur c"est un appareil de transformation de l"énergie thermique en l"énergie mécanique et en énergie électrique

Schéma de principe d"un moteur a vapeur

Fig. 9 : Schéma du moteur à vapeur

2.1.1. Principe du moteur à vapeur

Le cycle thermodynamique mis en œuvre pour un moteur à vapeur est similaire à celui d"une turbine à vapeur. Par contre, la vapeur est détendue dans un ensemble de cylindre en permettant le mouvement de piston actionnant in fine un alternateur. Sa mise en œuvre nécessite la production de vapeur à une pression minimale de 15 bars

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a- Avantage Le moteur à vapeur possède un certain nombre d"avantage par rapport à une turbine à vapeur : · Des rendements plus élevés en petites puissance

· Des pressions de vapeur plus faibles

· Des vitesses de rotation moins élevées ce qui simplifie l"accouplement au générateur électrique. b- Inconvénient La production de vapeur sous pression n"est pas toujours possible à faible puissance ce qui limite son utilisation

2.1.2. Vue d"ensemble

Fig.10 : vue d"ensemble

· Description 1) Générateur du vapeur 2) Tuyau d"arrivée du vapeur 3) Vane 4) Chambre de distribution 5) Cylindre 6) Tige 7) Coulisseau 8) Bielle 9) Volant 10) Manivelle 11) Palier (support) 12) Socle

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2.1.3. Les principaux éléments mécaniques d'un moteur à vapeur

Le moteur à vapeur est constitué d'un cylindre dans lequel se déplace un piston. La tige du piston transmet son mouvement de translation à la bielle qui agit à son tour sur le vilebrequin en lui imprimant un mouvement de rotation. L'excentrique crée un mouvement de va-et-vient sur la biellette qui commande en retour l'admission et l'échappement de vapeur. Le vilebrequin, l'excentrique et le volant d'inertie sont montés sur le même arbre. Fig.11 : Eléments mécaniques d"un moteur à vapeur

Le volant d'inertie

: par sa masse, il rend plus régulier le mouvement de la machine. (L'inertie est en quelque sorte "l'élan" d'une pièce en mouvement.)

Fig.12 : volant

Deux paliers

comme celui-ci supportent l'arbre de la machine à vapeur. Un palier est un support destiné à maintenir en place un axe en rotation. Pour réduire les frottements, les surfaces en contact sont polies et les paliers sont généralement pourvus de coussinets en bronze ou en téflon, une matière plastique qui favorise le glissement.

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Les paliers peuvent aussi être munis de roulements à billes.

Fig.13 : palier

Le vilebrequin

est une sorte de manivelle qui transforme le mouvement de va- et-vient de la bielle en mouvement de rotation de l'arbre.

Fig.14 : manivelle

Fig.15 : vilebrequin

Excentrique

Fig.16 : Excentrique

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2.1.4. Les organes du moteur à vapeur et leur fonction

Les organes du moteur à vapeur se divisent en deux parties :

A- Partie fixe

❖ Le cylindre C"est une chambre de volume balayé par les pistons lors de la course d"aspiration et cependant un tour de l"arbre manivelle ▪ Rôle - Il sert de glissière au piston. - Il contient les gaz et permet leur évolution. - Il détermine la cylindrée unitaire. ❖ Chambre de distribution C"est une chambre de volume balayé par le tiroir lors de la course d"aspiration et cependant un tour de l"arbre d"excentrique ▪ Rôle - Il sert de glissière du tiroir. - Il contient les gaz et permet leur évolution. ❖ Palier (support) C"est organe mécanique supportant et guidant un arbre tournant. ▪ Rôle : Pour réduire les frottements, les surfaces en contact sont polies et les paliers sont généralement pourvus de coussinets en bronze ou en téflon, une matière plastique qui favorise le glissement.

B- Partie mobile

❖ Piston En mécanique, un piston est une pièce rigide de section généralement circulaire coulissant dans un cylindre de forme complémentaire. Le piston est un élément de forme cylindrique qui se déplace en va et vient a pour but de comprimer un liquide ou gaz dans le cylindre

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▪ Rôle Il doit supporter la pression des gaz créée par la combustion et la transmettre par l'intermédiaire de la bielle au vilebrequin ; Il doit résister aux forces latérales qu'il exerce sur la paroi du cylindre ; Il doit conduire la chaleur aussi rapidement que possible à la paroi du cylindre. ❖ Tiroir Un tiroir est un organe mécanique animé d"un mouvement de translation et assurant la distribution d"un fluide (par exemple la vapeur dans la machine à vapeur) ▪ Rôle Le tiroir est distribué la vapeur dans une chambre de distributeur. ❖ Bielle C"est une barre rectiligne destinée à transmettre un mouvement entre deux pièces articulées à ses extrémités suivant des axes parallèle La bielle est la pièce mécanique dont une extrémité est liée au piston par l'axe de piston et l'autre extrémité au maneton du vilebrequin. ▪ Rôle Elle permet la transformation du mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement circulaire continu du vilebrequin. ❖ Manivelle (Généralement appelée vilebrequin) Arbre qui transforme un mouvement rectiligne alternatif, notamment celui de l"ensemble piston-bielle d"un moteur thermique, en mouvement circulaire. ▪ Rôle Il reçoit l'effort transmis par les pistons et les bielles et fournit un mouvement circulaire en sortie du moteur. ❖ Excentrique Mécanisme destiné à transformer le mouvement de rotation d"une pièce en un mouvement alternatif aussi. ▪ Rôle Commande le mouvement de va et vient du tiroir qui est assuré l"ouverture et fermeture de l"admission et d"échappement. ❖ Volant d"inertie C"est un organe tournant d"une machine, constitué par un solide ayan un grand moment d"inertie par rapport à son axe et destiné à en régulariser la marche. C"est une masse d'inertie servant à régulariser la rotation du vilebrequin.

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▪ Rôle Elles servant à régulariser la vitesse de rotation de l'arbre. ❖ Arbre moteur C"est un axe qui transmet un mouvement (arbre came).

2.2. Caractéristique d"un moteur à vapeur

Un moteur à vapeur est caractérisé par ces grandeurs caractéristiques comme : Caractéristique géométrique Caractéristique mécanique Caractéristique thermique Caractéristique qualitatif Sur la base de leur principe de fonctionnement on distingue essentiellement deux types de moteur à vapeur :quotesdbs_dbs6.pdfusesText_11
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