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mardi 15 septembre 2020

Principes d'un moteur à vapeur Partie 2 - Steam engine principles part 2

Suite de notre description des principes d'un moteur à vapeur et de sa chaudière. Nous avions calculé la quantité de vapeur et vous vous demandez à quoi cela va nous servir? La réponse est dans les lignes qui suivent.
   Following our description of the principles of a steam engine and its boiler. We calculated the amount of steam and you wonder what it will do for us? The answer is in the following lines.

E - Surface de chauffe / Heating surface

Il faut préciser que Qv (volume vapeur) est de 7,68 m3 par minutes.
A la pression absolue on va déterminer la densité de vapeur correspondante. Puis on calculera l'évaporation par minute et enfin on pourra déterminer la surface de chauffe.
   It should be noted that Qv (steam volume) is 7.68 m3 per minute.
At the absolute pressure we will determine the corresponding vapor density. Then we will calculate the evaporation per minute and finally we can determine the heating surface.

1- Pression absolue = Pression atmosphérique + Pression chaudière = 1 + 15 = 16 bars
Cette pression est 16 fois la pression atmosphérique. Pour faire une comparaison cela correspondrait à une profondeur de 150 m sous l'eau.
   1- Absolute pressure = Atmospheric pressure + Boiler pressure = 1+15 = 16 bars
This pressure is 16 times the atmospheric pressure. To make a comparison this would correspond to a depth of 150 m underwater.

A cette pression la densité de vapeur (g/dm3) est calculée par une formule assez compliquée à expliquer (0,68 x P + 0,09, avec P (en mètre de mercure) = 0,76 x P absolue). Bref, cela donne 8,35 g/dm3
   At this pressure the density of steam (g/dm3) is calculated by a formula quite complicated to explain (0.68 x P + 0.09, with P (in meter of mercury) =0.76 x absolute P). In short, it gives 8.35 g/dm3

2- L'évaporation par minute est facile à calculer. C'est la multiplication de Qv par la densité de vapeur. Cela nous donne 64 128 dm3 par minute
   2- Evaporation per minute is easy to calculate. This is the multiplication of Qv by the density of steam. That gives us 64,128 dm3 per minute

3- La surface de chauffe se calcule en divisant l'évaporation par le taux moyen de vapeur (40 kg/m2/h, ce chiffre provient d'un manuel de la SNCF) et cela donne 16,032 m2.
   3- The heating surface is calculated by dividing the evaporation by the average rate of steam (40 kg/m2/h, this figure comes from a SNCF manual) and this gives 16,032 m2.

Sur ce rapport de visite de la Brigadelok, on peut lire que la surface de chauffe est de 16 m2.
   On this inspection report of the Brigadelok, we can read that the heating area is 16 m2.

Rapport de visite
Inspection Report

Nous avons franchi des étapes importantes et pas toujours faciles afin de vous donner une idée du dimensionnement d'une machine à vapeur. Nous allons souffler un peu en regardant de plus près la soupape de sécurité.
   We have crossed important and not always easy steps to give you an idea of the size of a steam engine. We're going to take a breathe while having a look at the safety valve.

Soupape de sécurité - Safety valve

La soupape est un élément de sécurité incontournable. 
   The relief valve is an essential safety feature.

Dessin de la soupape d'une locomotive SNCF
Drawing of the relief valve of a SNCF locomotive

Celle-ci est on ne peut plus simple. On la règle en serrant le ressort au moyen d'un écrou. Pour "tarer" la soupape, il faut un manomètre.
Le corps de chaudière et la soupape sont éprouvés à l'aide d'un banc de test spécialement conçu pour cela.
   This one is as simple as it can be. It is adjusted by squeezing the spring with a nut. To calibrate the valve, a pressure gauge is required.
The boiler body and valve are tested using a test bench specially designed for this.

Ci-après, une photo de la petite soupape de la chaudière de notre petit moteur à vapeur.
   Below is a picture of the small valve in the boiler of our small steam engine. 
Soupape de sécurité
safety valve

Maintenant que nous avons de la vapeur et un mécanisme de sécurité, nous allons pouvoir l'utiliser pour faire fonctionner notre moteur et notre locomotive.
   Now that we have steam and a safety mechanism, we will be able to use it to operate our engine and locomotive.

Fonctionnement du moteur - How the engine works

Distribution, admission, échappement, sont des termes qui ont quelque chose de familier pour vous, mais que représentent-ils dans le monde de la vapeur?
   Distribution, admission, exhaust, are terms that have something familiar to you, but what do they represent in the world of steam?

La distribution est une opération qui consiste à envoyer, c'est à dire distribuer, la vapeur tantôt sur une face du piston, tantôt sur l'autre face de façon à faire mouvoir le piston dans le cylindre. Il faut aussi évacuer du cylindre la vapeur qui vient d'y travailler, sans quoi cette vapeur s'opposerait au mouvement du piston.   
Le mécanisme qui permet de réaliser cette opération est appelé tiroir (l'image du tiroir va vous aider à comprendre facilement). La particularité est qu'il existe deux formes de tiroirs ! Ainsi, il y a le tiroir plan et le tiroir cylindrique. Nous avons retrouvé un petit schéma (cours SNCF datant de 1943) pour illustrer tout cela.

   Distribution is an operation that involves sending, i.e. distribute, steam sometimes on one side of the piston, then on the other side in order to move the piston in the cylinder. It is also necessary to remove from the cylinder the steam that has just been worked in it. Without this, that steam would oppose the movement of the piston.   
The mechanism for doing this is called a drawer (the drawer image will help you understand easily). The peculiarity is that there are two forms of drawers! So there's the plan drawer and the cylindrical drawer. We found a small diagram (SNCF course dated 1943) to illustrate all this.

Schémas de fonctionnement des 2 types de tiroirs
Schematic diagram of the two types of drawers

Les flèches sur les diagrammes indiquent la circulation de la vapeur. La figure de gauche représente le déplacement du piston de la gauche vers la droite. La figure de droite  représente le déplacement du piston de la droite vers la gauche. La vapeur passe par des trous appelés lumières. En fonctionnement tout cela donne un son caractéristique qui a rendu les machines à vapeurs célèbres !
   The arrows on the diagrams indicate the circulation of steam. The figure on the left represents the movement of the piston from left to right. The figure on the right represents the movement of the piston from right to left. Steam passes through holes called steam inlet and outlet. In operation all this gives a characteristic sound that made the steam engines famous !

Revenons à notre petit moteur à vapeur pour observer de plus près les mouvements. Ceux-ci sont décomposés en phases. Dans cette première phase le moteur est au point mort haut. Le piston et la bielle sont font un angle nul avec le volant.
   Let's go back to our little steam engine to take a closer look at the movements. These are divided into phases. In this first phase the engine is at the top dead point. The piston and the rod are making a zero angle with the flywheel.

Vue du moteur oscillant et sa chaudière en première phase
View of the oscillating engine and its boiler in the first phase

Le sens de rotation du volant est celui des aiguilles d'une montre. 
A partir de 10°, le perçage du cylindre est tangent à celui d'admission du bâti. Ceci permet à la vapeur de rentrer dans le cylindre.
A 80° de rotation, on a la position extrême de l'oscillation. Il  faut atteindre un angle de 180° pour que l'admission soit terminée. 
A 190 °, on commence la phase d'échappement. Le perçage du cylindre est tangent avec celui de l'échappement. Ce dernier est au point maximum à 280°.
   The direction of rotation of the steering wheel is clockwise. 
From 10 degrees, the drilling of the cylinder is tangent to the admission of the frame. This allows the steam to enter the cylinder.
At 80 degrees of rotation, we have the extreme position of the oscillation. You have to reach a 180 degree angle for the admission to be completed. 
At 190 degrees, we start the exhaust phase. The drilling of the cylinder is tangent with the exhaust. The latter is at the maximum point at 280 degrees.

Vue du moteur oscillant et sa chaudière en dernière phase
View of the oscillating engine and its boiler in the final phase

Comment calculer ? - How do I calculate?

Oui, on peut calculer tout cela en détail mais c'est fastidieux. Il est même nécessaire d'utiliser un tableau de calcul pour éviter les mauvaises surprises. Il y a deux façons de le faire.
La première méthode est de le faire avec les formules étape par étape.
La seconde méthode est d'utiliser un fichier Excel de calcul sur ordinateur.
   Yes, you can calculate all this in detail but it is tedious. It is even necessary to use a calculation table to avoid unpleasant surprises. There are two ways to do it.
The first method is to do this with step-by-step formulas.
The second method is to use an Excel spreadsheet.

Quel que soit votre choix, il faudra définir :
  • le diamètre du cylindre, 
  • la vitesse admissible de la vapeur, 
  • la fréquence de rotation du moteur
  • la pression de service
Le club Vapeur 45 a fait un excellent travail en préparant cette feuille de calcul que vous pourrez trouver en cliquant  ici.
   Whatever you choose, you'll have to define:
The diameter of the cylinder, 
The allowable speed of steam, 
The frequency of engine rotation
Service pressure
The Vapeur45 Club has done a great job in preparing this spreadsheet that you can find by clicking  here.

En vidéo - On video:

Pour voir ce que cela donne en dynamique, nous vous proposons deux vidéos :
    To see what it looks like in dynamics, we offer two videos:

Vidéo_1 : Démarrage du moteur et montée en régime. Cliquer  ici
Vidéo_1: Engine start-up and throttle. Click here

Vidéo_2 : Régime nominal et vue de côté. Cliquer  ici
Vidéo_2: Nominal speed and side view. Click here

Merci à Guillaume d'avoir fait le test !
Thanks to Guillaume for making the test !

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