La vapeur est un domaine très complet et il faut parfois se plonger dans la théorie pour mieux comprendre ce qu'il se passe lorsque l'on est en cabine. Il y a de bons ouvrages de référence sur le sujet (dont certains de la SNCF) et des stages "découverte" organisés par des associations (ex: voir site AECFM). Une autre approche consiste à réaliser des petites machines à vapeur simples non seulement pour bien intégrer les principes mais surtout pour les mettre en pratique. C'est ce que j'ai fait, il y a déjà quelques années lors d'un stage organisé par le club de vapeur vive Vapeur 45 (voir site Vapeur_45).
Steam is a very complete domain and sometimes you have to go into theory to better understand what happens when you are in the cabin. There are good reference books on the subject (including some from SNCF) and "discovery" training courses organized by railways clubs (e.g. see AECFM website). Another approach is to make small, simple steam engines not only to understand the principles but above all to put them into practice. That's what I did a few years ago during a training organized by the Steam Club Vapeur 45 (see website Vapeur_45).
Le moteur oscillant/The oscillating engine
C'est le moteur le plus simple mais assez complet pour un apprentissage. Il a trouvé plus d'applications dans les bateaux à vapeur et machines industrielles que dans le ferroviaire. En fait, il y a 3 types de moteurs oscillants. Le premier type est le cylindre oscillant soit à simple effet soit à double effet. Le second type est à distribution par tiroir plan. Le troisième type est à tiroir cylindrique.
It is the simplest engine but complete enough for learning. It has more applications in steamboats and industrial machinery than in railways. In fact, there are three types of oscillating engines. The first type is the oscillating cylinder either with single effect or double effect. The second type is distributed by plan drawer. The third type has a cylindrical drawer.
Nous allons voir d'un peu plus près quels sont les principes mis en œuvre avec ce moteur oscillant simple effet.
We will take a closer look at the principles implemented with this simple oscillating engine effect.
Le principe et les contributeurs/The principle and contributors
Lorsque l'on joue avec la vapeur vive, on met en œuvre un nombre remarquable d'éléments et de grandeurs physiques. Ainsi nous allons utiliser entre autres :
- Les combustibles,
- La chaleur,
- La chaleur,
- La pression,
- La vaporisation,
- La vaporisation,
- La densité de vapeur,
- Le travail mécanique,
- La vitesse de circulation la vapeur.
When playing with live steam, an amazing number of physical elements and rules are implemented. So we will use among other things:
- Combustibles,
- The heat,
- Pressure,
- Vaporization,
- The density of steam,
- Mechanical work,
- The steam's speed of circulation.
Le principe/The principle
S'il vous faut retenir un principe c'est celui qui suit:
Un moteur à vapeur ne fonctionne jamais seul. Il est indissociable de sa chaudière et de son brûleur. Tous doivent être dimensionnés en tenant compte de leur contraintes respectives.
If you need to remember one principle, it's the following one:
A steam engine never works alone. It is inseparable from its boiler and burner. All must be sized with their respective constraints in mind.
Les contributeurs/Contributors
Les contributeurs de cette longue chaîne sont :
- l'eau,
- le combustible,
- l'huile vapeur,
Contributors to this long chain are:
- water,
- fuel,
- steam oil,
L'eau qui est contenue dans la chaudière et qui dans les bonnes conditions forme de la vapeur. Lorsque la vapeur atteint une certaine pression et densité en fonction de la température, un équilibre se forme et la vapeur est dite saturée.
The water that is contained in the boiler and which in the right conditions forms steam. When the steam reaches a certain pressure and density depending on the temperature, there is a balance and the steam is said to be saturated.
Pour cela, il faut un combustible. On pense tout de suite au charbon parce qu'il a un très bon pouvoir calorifique (exprimé en MégaJoule par kg, MJ/kg). En fait, pas vraiment. Comparez-le à l'alcool (éthanol) vous obtiendrez un peu moins avec la meilleure qualité de charbon. Comparez-le au butane/propane et vous aurez un pouvoir multiplié par 2 pour ces derniers.
Le charbon c'est surtout aucun risque au remplissage dans un foyer ou brûleur et un risque faible au fonctionnement.
To do that, you need a combustible. We immediately think of coal because it has a very good calorific power (expressed in MegaJoule per kg, MJ/kg). Actually, not really. Compare it to alcohol (ethanol), you will get a little less with the best quality of coal. Compare it to butane/propane and you will have twice the power for these.
Coal is above all no risk when filling a fireplace or burner and a low risk during operation.
Pour notre démonstration nous allons utiliser de l'alcool à brûler. C'est simple au remplissage mais cela peut être dangereux en fonctionnement.
- l'eau,
- le combustible,
- l'huile vapeur,
Contributors to this long chain are:
- water,
- fuel,
- steam oil,
L'eau qui est contenue dans la chaudière et qui dans les bonnes conditions forme de la vapeur. Lorsque la vapeur atteint une certaine pression et densité en fonction de la température, un équilibre se forme et la vapeur est dite saturée.
The water that is contained in the boiler and which in the right conditions forms steam. When the steam reaches a certain pressure and density depending on the temperature, there is a balance and the steam is said to be saturated.
Pour cela, il faut un combustible. On pense tout de suite au charbon parce qu'il a un très bon pouvoir calorifique (exprimé en MégaJoule par kg, MJ/kg). En fait, pas vraiment. Comparez-le à l'alcool (éthanol) vous obtiendrez un peu moins avec la meilleure qualité de charbon. Comparez-le au butane/propane et vous aurez un pouvoir multiplié par 2 pour ces derniers.
Le charbon c'est surtout aucun risque au remplissage dans un foyer ou brûleur et un risque faible au fonctionnement.
To do that, you need a combustible. We immediately think of coal because it has a very good calorific power (expressed in MegaJoule per kg, MJ/kg). Actually, not really. Compare it to alcohol (ethanol), you will get a little less with the best quality of coal. Compare it to butane/propane and you will have twice the power for these.
Coal is above all no risk when filling a fireplace or burner and a low risk during operation.
Pour notre démonstration nous allons utiliser de l'alcool à brûler. C'est simple au remplissage mais cela peut être dangereux en fonctionnement.
Quant au gaz, on utilise assez couramment un mélange de butane et de propane pour les locomotives à vapeur vives en modèle réduit. C'est délicat à l'allumage mais c'est très efficace!
For our demonstration we will use methylated spirits. It's simple to fill but it can be dangerous in operation.
Gas is fairly commonly used as a mixture of butane and propane for model live steam locomotives. It's tricky to the ignition but it's very effective!
L'huile vapeur est une huile épaisse d'une qualité telle que l'on peut soit la mettre dans un graisseur (que nous n'avons pas ici) soit dans la chaudière (quelques gouttes suffisent) pour huiler les parties mobiles.
Steam oil is a thick oil of such quality that it can either be put in a greaser (which we don't have here) or in the boiler (a few drops are enough) to oil the moving parts.
Huile vapeur/Steam oil
Détails de la chaudière et du moteur/Boiler and engine details
Nous avons affaire à un ensemble et pas seulement à un moteur à vapeur. Dans la vue ci-dessous, vous pourrez voir la chaudière avec sa soupape de sécurité, le moteur oscillant sur son bâti, le volant qui forme le vilebrequin.
We are dealing with an entire system and not just a steam engine. In the view below, you can see the boiler with its safety valve, the engine oscillating on its support, the flywheel that forms the crankshaft.
Vue du dessus du moteur/View from the top of the engine
Pour faire simple et efficace, le brûleur est réduit au minimum (moins de 10 cm3) mais cela est suffisant pour chauffer le volume petit d'eau (moins de 90 cm3) contenu dans le corps de chaudière cylindrique. Ce dernier est en cuivre et les plaques d'extrémités sont maintenues à l'aide d'un tirant. L'ensemble a été soudé avec de la brasure argent.
To make it simple and effective, the burner is kept to a minimum (less than 10 cm3) but this is enough to heat the small volume of water (less than 90 cm3) contained in the cylindrical boiler body. The latter is made of copper and the end plates are held with a tie rod. The whole thing was soldered with silver brazing.
Le corps de chaudière est monté sur un châssis qui va permettre de positionner le brûleur juste en dessous. Ce châssis a une forme adaptée. D'un côté, il y a des trous pour la circulation d'air et le haut est rabattu pour faire un effet cheminée et mieux répartir la chaleur sur le corps de chauffe.
Pour la récupération de la précieuse vapeur, il y a un petit tube en cuivre de diamètre 3/2 mm (ext/int) qui est positionné le plus haut possible. Pour une chaudière de locomotive, il y aura un dôme vapeur car la quantité de vapeur est nettement plus importante.
The boiler body is mounted on a chassis that will allow the burner to be positioned just below. This chassis has an adapted shape. On one side, there are holes for air circulation and the top is folded down to make a chimney effect and better distribute heat over the heating body.
To collect the precious steam, there is a small copper tube with a diameter of 3/2 mm (ext/int) that is positioned as high as possible. For a locomotive boiler, there will be a steam dome because the amount of steam is much greater.
Volume chaudière = cylindrée moteur x 100
The sizing of the boiler is obtained with this rule:
Boiler volume = engine displacement x 100
Dans notre cas le cylindre a un volume de 0,9 cm3, ainsi le volume est de 0,9 x 100 = 90 cm3.
In our case the cylinder has a volume of 0.9 cm3, so the volume is 0.9 x 100 = 90 cm3.
Si on essaye cette formule sur la Brigadelok est-ce qu'on arrive à la même conclusion ?
La chaudière de la 040 fait environ 2777 x 720 mm ce qui donne un volume d'environ 1,131 m3.
Sur le plan type de la locomotive j'ai relevé le diamètre du cylindre de 240 mm et une course de piston de 240 mm.
If we try this formula on the Brigadelok, do we come to the same conclusion?
The boiler of the 080 is about 2777 x 720 mm which gives a volume of about 1,131 m3.
On the drawing of the locomotive I found the diameter of the cylinder by 240 mm and a piston course of 240 mm.
To make it simple and effective, the burner is kept to a minimum (less than 10 cm3) but this is enough to heat the small volume of water (less than 90 cm3) contained in the cylindrical boiler body. The latter is made of copper and the end plates are held with a tie rod. The whole thing was soldered with silver brazing.
Vue de la chaudière et du petit brûleur/View of the boiler and the small burner
Le corps de chaudière est monté sur un châssis qui va permettre de positionner le brûleur juste en dessous. Ce châssis a une forme adaptée. D'un côté, il y a des trous pour la circulation d'air et le haut est rabattu pour faire un effet cheminée et mieux répartir la chaleur sur le corps de chauffe.
Pour la récupération de la précieuse vapeur, il y a un petit tube en cuivre de diamètre 3/2 mm (ext/int) qui est positionné le plus haut possible. Pour une chaudière de locomotive, il y aura un dôme vapeur car la quantité de vapeur est nettement plus importante.
The boiler body is mounted on a chassis that will allow the burner to be positioned just below. This chassis has an adapted shape. On one side, there are holes for air circulation and the top is folded down to make a chimney effect and better distribute heat over the heating body.
To collect the precious steam, there is a small copper tube with a diameter of 3/2 mm (ext/int) that is positioned as high as possible. For a locomotive boiler, there will be a steam dome because the amount of steam is much greater.
A- Volume de la chaudière/Boiler volume
Le dimensionnement de la chaudière est obtenu avec cette règle:Volume chaudière = cylindrée moteur x 100
The sizing of the boiler is obtained with this rule:
Boiler volume = engine displacement x 100
Dans notre cas le cylindre a un volume de 0,9 cm3, ainsi le volume est de 0,9 x 100 = 90 cm3.
In our case the cylinder has a volume of 0.9 cm3, so the volume is 0.9 x 100 = 90 cm3.
Si on essaye cette formule sur la Brigadelok est-ce qu'on arrive à la même conclusion ?
La chaudière de la 040 fait environ 2777 x 720 mm ce qui donne un volume d'environ 1,131 m3.
Sur le plan type de la locomotive j'ai relevé le diamètre du cylindre de 240 mm et une course de piston de 240 mm.
If we try this formula on the Brigadelok, do we come to the same conclusion?
The boiler of the 080 is about 2777 x 720 mm which gives a volume of about 1,131 m3.
On the drawing of the locomotive I found the diameter of the cylinder by 240 mm and a piston course of 240 mm.
Caractéristiques principales sur une copie du plan d'origine (en allemand avec ma traduction)
Main features on a copy of the original plan (in German with my translation into French)
Main features on a copy of the original plan (in German with my translation into French)
B- Epaisseur de la chaudière/Boiler thickness
Un autre aspect important est l'épaisseur de la chaudière. La pression est le quotient de la force sur une surface. A partir de cette formule, on peut en déduire comment calculer l'épaisseur de la chaudière pour résister à la pression.Another important aspect is the thickness of the boiler. Pressure is the quotient of force on a surface. From this formula, we can deduce how to calculate the thickness of the boiler to withstand the pressure.
E = (P x D) / (2 x Rm)
Reprenons notre petite chaudière en cuivre dont la résistance est de 200 N/mm2. On considère que la pression de service est de 4 bars. Ceci est tout à fait réaliste. Sur une autre machine à vapeur en modèle réduit, j'ai mesuré la pression avec un petit manomètre est la pression de service était de 5 bars.
E = 4 x 40 / 2 x 200 = 0,4 mm
Un coefficient de sécurité est généralement appliqué. Celui-ci varie de 2 à 4. Pour une petite chaudière passer de 0,4 mm à 1,5 mm n'a pas beaucoup d'impact sur le coût, mais pour une grande chaudière ce n'est pas la même histoire.
Let's take back our small copper boiler with a strength of 200 N/mm2. The service pressure is considered to be 4 bars. This is quite realistic. On another steam engine model, I measured the pressure with a small manometer and the service pressure was 5 bars.
E = 4 x 40 / 2 x 200 = 0.4 mm
A safety coefficient is generally applied. This ranges from 2 to 4. For a small boiler going from 0.4 mm to 1.5 mm doesn't have much impact on the cost, but for a large boiler it's not the same story.
Pour la Brigadelok, la chaudière est en acier. La note de calcul de la locomotive que nous avons (quelle chance), nous donne le type d'acier (P235H) et surtout sa résistance qui est comprise entre 350 à 480 N/mm2.
For the brigadelok, the boiler is made of steel. The calculation note of the boiler that we have (what a luck), gives us the type of steel (P235H) and especially its resistance which is between 350 and 480 N/mm2.
E = 15 x 720 / 2 x 350 ≃ 15 mm
Lors de notre campagne de mesures (avec la sonde à ultrasons) nous avions mesuré au mieux 11,8 mm.
C'est assez proche compte tenu de l'âge vénérable de cette chaudière centenaire. Il ne faut pas oublier que sa construction était en pleine première guerre mondiale et que l'acier était très utilisé pour l'armement. Cela peut expliquer que le coefficient de sécurité ait été réduit au strict minimum.
During our measurement campaign (with the ultrasonic probe) we measured at best 11.8 mm.
This is quite close considering the venerable age of this century-old boiler. We must not forget that its construction was in the middle of the First World War and that steel was widely used for armament. This may explain why the safety coefficient has been reduced to a bare minimum.
Chaudière de la Brigadelok/Brigadelok boiler
C- Cylindrée moteur/Engine Displacement
Pour calculer la cylindrée moteur on utilise la formule suivante :Cylindrée moteur = (𝛑 x Diamètre piston²)/4 x Course piston
To calculate the engine displacement, the following formula is used:
Engine Displacement = (𝝅 x Piston Diameter²)/4 x Piston stroke
Pour la Brigadelok cela donne 0,010857 m3. Il y a bien un facteur 100 avec le volume de la chaudière.
For the Brigadelok this gives 0.010857 m3. There is actually a factor of 100 with the volume of the boiler.
D- Volume Vapeur/Steam volume
Nous allons poursuivre notre dimensionnement pour calculer le volume vapeur du moteur.
We will continue our dimensioning to calculate the steam volume of the engine.
A partir de ce volume vapeur, il est possible d'obtenir la plupart des valeurs pour dimensionner en détail le moteur à vapeur.
From this steam volume, it is possible to obtain most of the values to size the steam engine in detail.
Pour le moteur oscillant simple effet on utilise la formule suivante:
Qv = Cylindrée moteur x Freq_mot x nb_cylindre
For the simple oscillating engine effect one uses the following formula:
Qv = Engine displacement x Freq_mot x nb_of_cylinder
Notre petit moteur peut tourner à 1500 tours/minute et c'est assez impressionnant à voir (des vidéos sont en préparation). Cela donne un volume de vapeur d'environ Qv = 0,9 x 1500 x 1 = 1350 cm3.
Si on transpose cela sur la 040, on obtient Qv = 0,010857 x Freq_mot x 2 (car 2 cylindres)
La bonne question est comment estimer cette Freq_mot? Une méthode consiste à partir de la vitesse maxi de la locomotive et de convertir cela en tours/minute.
Prenons V=40 km/h ce qui est déjà bien pour ce type de locomotive.
Il nous faut convertir une vitesse linéaire en vitesse de rotation. Pour cela on utilise une formule de conversion qui va nous donner 354 tr/mn.
Qv = 7,68 m3 (soit 3,84 par cylindre).
If we transpose this to the 040, we get QV = 0.010857 x Freq_mot x 2 (2 cylinders)
The good question is how to estimate this Freq_mot? One method is to start from the maximum locomotive speed and convert this into revolutions/minute. Let's take V=40 km/h which is already good for this type of locomotive.
We need to convert a linear speed to the speed of rotation. For this, we use a conversion formula and we will get 354 rpm
Qv = 7.68 m3 (or 3.84 per cylinder).
Il reste encore beaucoup de points très intéressants à aborder alors ne manquez pas la suite.
