La Classe Vapeur 43 n°4 - '43 steam course n°4

C'est la rentrée ! Alors reprenons les cours avec la boite à fumée et l'échappement.
   School is back ! So let's resume the course with the smokebox and the exhaust.

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Voyons le fonctionnement plus en détail:
   Let's see the operation more closely:

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Voici quelques photos pour illustrer cela sur la 040 Brigadelok:

 On peut voir en bas de la boîte à fumée l'accumulation de particules de charbon incomplètement brûlées : le fraisil.

La grille fixée au milieu a pour but de réduire l'évacuation des particules via la cheminée. Cela permet aussi de réduire le risque de départ de feu dans le cas où certaines particules seraient encore enflammées.

   Here are some photos to illustrate this on the 080 Brigadelok:
We can see  in the bottom of the smokebox the build-up of unburnt coal particles, the fraisil.
The grid set in the middle aims at reducing the particles evacuation throughout the chimney. It allows also to reduce the risk of setting fire in case some of these particles would be still burning.

Sur cette image, la boîte à fumée a été nettoyée et la grille enlevée pour avoir une vue complète. On peut remarquer au fond en bas que les têtes de rivets ont pratiquement disparu (corrosion).
   On this image, the smokebox has been cleaned and the grid removed for a complete view. We can remark the lower rivets heads are practically gone due to corrosion.

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Notes de Nicolas

* La disposition de la boîte à fumée comporte les éléments essentiels au bon fonctionnement de la chaudière. Sans eux, ça fonctionne, mais beaucoup moins bien et un chauffeur pourrait vite se trouver en difficulté, faute de pouvoir gérer son feu selon les exigences du parcours. La grille à flammèches est plus connue sous le nom de pare-escarbille et requiert un nettoyage fréquent pour garder le passage libre. Le souffleur a d'autres usages. L'augmentation du tirage sert à la protection de l'équipage contre les retours de flamme quand la porte du foyer est ouverte. On peut également l'utiliser pour accélérer la mise en chauffe lors de la préparation de la loco.

   The arrangement of the smokebox includes the essential items for proper operation of the boiler. Without them, it works, but far less efficiently and a fireman could quickly be in trouble, being unable to manage his fire according to the track requirements. The grid is also known as spark arrestor and requires frequent cleaning to keep the passage free. The blower has other uses. Rising the draught is used to protect the crew from backfire then the firebox door is open. It can also be used to speed up the heating during preparation of the loco.

** L'utilité d'un échappement réglable est de pouvoir doser le tirage. On peut avoir besoin de le réduire lorsque la chaudière est déjà au timbre, sans pour autant étouffer le feu en fermant l'entrée d'air. Inversement, on peut avoir besoin de "booster" le tirage en cas de forte demande de vapeur, sans faire appel au souffleur qui en consomme lui aussi.

   The purpose of an adjustable exhaust it to be able to set the draught. We might need to reduce it when the boiler is at max pressure, without smothering the fire closing the air intake. On the other hand, we might need to boost the draught in case of a strong demand for steam without using the blower which uses steam too.

*** Remarquez la différence entre l'échappement en voie normale et celui en voie étroite. Sur une grosse loco, il y a assez de place dans la boîte à fumée pour utiliser un dispositif de ramonage, rigide, semi-rigide articulé ou souple. Sur la 040 DFB, l'échappement est relevé pour dégager l'accès aux tubes. Bien sûr, il n'est pas réglable.

   Remark the difference between the exhaust of standard and narrow gauge. On a big loco, there is enough room in the smokebox to use rigid, semi-rigid or flexible cleaning rods. On the 080 DFB, the exhaust is raised to clear the access to the tubes. Of course it is not adjustable.

La Classe Vapeur 43 n°3 - '43 steam course n°3

Etes-vous prêts pour une nouvelle leçon ? Pour cette troisième leçon (du samedi), nous poursuivons plus en détails sur la voute et le cendrier. 

   Are you ready for a new lesson? For this third lesson (on Saturday), we continue in more details on the brick arch and ashtray. 

(1)

(2)

(3)
 

Sur la 040, voici ce que cela donne pour le foyer:

On the 080, here's what it looks like inside the firebox:

La tubulure de la chaudière de la 040 :

The boiler tubing of the 080:

Quelques remarques - Some remarks:

(1)

On pourrait s'étonner que les informations ne suivent pas une logique rigoureuse et soient relativement superficielles. Il faut garder à l'esprit qu'il s'agit d'un cours de base pour de jeunes apprentis et que l'objectif est surtout de leur inculquer les grandes lignes de la technologie et le vocabulaire associé. Ils peuvent ainsi comprendre les conversations qu'ils entendent au travail. Pour aller plus loin, il y a d'autres niveaux de cours que les cheminots suivront au fil de leur carrière.
Le rôle de la voûte a été exprimé de manière simplifié: il s'agit moins de refroidir la plaque tubulaire que de limiter son exposition aux flammes directes, source d'usure prématurée.

   One could find strange that the informations do not follow a straightforward course and keep relatively superficial. It is to be kept in mind that this is a basic training for young apprentices and that the goal is it give them the main lines of technology and the associated vocabulary. So they can understand the discussions they hear at work. To go further, there are others  levels the workers will attend during their carreer.

The role of the brick arch is expressed the simple way here: it is less a question of cooling the tube plate than to limit its exposure to direct flames, cause of premature wear.

(2)
L'accent est mis sur les contraintes mécaniques dans la boîte à feu. Que ce soit pour les parois ou les entretoises, l'action des flammes et de la dilatation est un sujet de préoccupation réel. L'utilisation de cuivre, qui transmet bien la chaleur mais se dilate différemment de l'acier, oblige à prendre des dispositions pour surveiller l'usure et la casse.
Il est clairement précisé qu'il n'y a pas de matériau miracle pour résister à cet environnement particulier. De nos jours on a mieux au niveau des alliages mais on n'est pas exempté de cette surveillance car les problèmes de dilatation et de corrosion sont toujours là !

   Emphasis is put on the mechanical constraints in the firebox. Be it for the walls or the stays, the action of flames and  thermal expansion is a real matter. The use of copper, which transmits heat very well but expands differently from steel, requires dispositions to survey wear and breakage.
It is clearly stated there is no miracle material to resist this harsh environment. Nowadays we have better alloys but we are not free from survey because the troubles with expansion and corrosion are still there !

(3)

La Loco Brigadelok a une seule longue virole pour former son corps cylindrique. Pour les grandes machines, c'est trop à rouler en une seule fois, donc plusieurs segments sont mis bout à bout. L'assemblage illustré ici est "télescopique", le diamètre un peu réduit à l'avant réduit un peu le risque de manque d'eau côté foyer quand la machine penche en avant.

   The Brigadelok loco has a single rolled sheet to form its cylinder body. For the large machines, it would be too much to roll in one time, so several segments are attached end to end. The illustraded assembly is "telescopic", the slightly reduced diameter at the front end diminished the risk of lack of water around the firebox when the machine leans forward downhill.

Les injecteurs: principes généraux - Injectors: basic principles

Les injecteurs sont des appareils indispensables au fonctionnement d'une chaudière à vapeur: ils y remplacent l'eau consommée. Pour les restaurer et les entretenir correctement, il faut comprendre comment ils fonctionnent.
   The injectors are mandatory for a steam boiler operation: they replace the consumed water. To restore and maintain them, it is neccessary to understand how they work.

Une chaudière dont on ne remplacerait pas l'eau consommée par l'utilisation de la vapeur verrait son niveau d'eau baisser dangereusement. Oui, dangereusement, car les tôles du foyer ne seraient plus refroidies, se déformeraient au point de finir par rompre, c'est l'explosion. On ne le dira jamais assez, la quantité d'énergie accumulée dans une chaudière à vapeur est colossale. En cas d'explosion, non seulement il y a tout le volume de vapeur qui se détend brusquement, mais aussi toute l'eau bouillante. Sous l'effet de la baisse brutale de la pression, elle se vaporise instantanément et cette vapeur se détend à son tour.
En évitant ce scénario catastrophe, les injecteurs sont bel et bien des acteurs indispensables de la sécurité. Alors comment fonctionnent-ils ?
   A boiler of which we wouldn't refill the water consumed by its use would see its level get dangerously low. Yes, dangerously because the hearth sheets wouldn't be cooled down anymore and could distort then rupture, it is an explosion. We could never say it enough, the amount of energy accumulated in a steam boiler is tremendous. In case of explosion, not only the volume of steam brutally expands, but also does all the boiling water. Under the effect of the sudden fall of pressure, it instantly vaporizes and this steam then expands too.
Avoiding a disaster scenario, the injectors are actually essential actors of safety. So, how do they work ?

Tout d'abord, examinons les données du problème. Nous avons une chaudière avec une pression interne et une réserve d'eau à pression atmosphérique. Le problème est donc de faire entrer cette eau dans un réservoir déjà pressurisé avec les seuls moyens du bord: l'énergie dans ce fameux réservoir, la vapeur.
La solution la plus simple d'une pompe à piston est valable mais on oublie direct l'idée d'une pompe à main: trop d'efforts à fournir sur une loco à cause du volume à traiter. On considère donc une pompe mécanique mue par la vapeur. Cela a l'inconvénient d'injecter de l'eau froide dans la chaudière et la vapeur motrice de la pompe étant relâchée dans l'atmosphère, elle représente une consommation d'eau supplémentaire. On exclut l'exploitation du mouvement de la machine (ça fonctionne mais ce n'est pas toujours disponible), car on doit pouvoir injecter même à l'arrêt.
   First of all, let's have a look at the problem's data. We have a boiler with an internal pressure and a water tank at atmospheric pressure. The problem is to make this water to enter a pressurized vessel with the sole means on board: the energy in this vessel, the steam.
The most simple solution of a piston pump is valid but we must discard the idea of a hand driven pump: too much efforts to provide on a loco because of the required volume. So we consider a mecanical steam driven pump. It has the inconvenient to inject cold water into the boiler and the steam used to power the pump is lost to the atmosphere, it is an additional consumption of water. We exclude the use of the machine movement (it works, but is is not always available), because we need to be able to inject even during stops.

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La solution repose donc uniquement sur les propriétés des fluides à disposition: la vapeur et l'eau. On sait par l'étude de l'effet Venturi (dérivé du principe de Bernouilli), que faire passer un fluide dans un un cône convergent accélère le fluide et qu'une dépression se forme. Ce fluide, dans la bonne configuration, est donc capable d'en entraîner un autre et nous obtenons une fonction d'aspiration et une fonction de mélange. Aussi curieux que ça puisse paraître, il n'en faut pas plus !
  L'idée de génie d'Henri Giffard est d'utiliser la vapeur pour donner à de l'eau une impulsion suffisante pour créer une pression supérieure à celle du réservoir de destination. En fait, il va s'agir de recréer l'effet d'une masse d'eau dans une conduite qui vient buter sur un obstacle: un coup de bélier continu !
Mais, un coup de bélier est un mouvement ponctuel, voire cyclique, pas continu, me direz-vous. La différence vient de l'événement qui génère le coup. On parle justement de "coup" de bélier parce que c'est un événement brusque et transitoire, mais le principe en action ici est celui de l'inertie du fluide, et donc de l'élan qu'on lui donne. On sait donner cet élan et que nous avons tout ce qu'il faut pour le créer. Voyons donc comment.
   The solution relies only on the properties of the available fluids: the steam and the water. We know, by the study of the Venturi effect (derived from the Bernouilli principle), that a fluid passing through a converging cone accelerates and that a depression is formed. This fluid, in the proper configuration, is then able to draw an other one so we obtain a function of suction and mixing. As strange as it seems, that's all we need !
The genius idea of Henri Giffard is to use the steam to give the water an impulsion capable of creating a pressure surpassing the one in the destination tank. In fact, it will be a question of recreating the effect of a mass of water in a pipe that comes knocking on an obstacle: a continuous water hammer !
But, a water hammer is a ponctual movement, or a cyclic one, not continuous, you will say. The difference comes from the event creating the stroke. We precisely speak of a water hammer because it is a brief and brutal event, but the principle in action here is from the fluid inertia, and the momentum we give it. We know how to give this momentum and have everything to create it.
Let's see how.

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Si on injecte de la vapeur dans un cône convergent disposé pour aspirer de l'eau, on a en sortie une eau chaude accélérée. Cela n'est cependant pas suffisant car l'eau chaude n'est pas à la pression du réservoir et va buter contre le clapet anti-retour de l'entrée du réservoir, sans pouvoir l'ouvrir. En effet, la vapeur a suivi des tuyauteries froides, a rencontré de l'eau, elle s'y est condensée et lui a donné son énergie au passage.
De son côté, l'eau a capté cette énergie: elle a pris de la vitesse et monté en température. Ce n'est toujours pas suffisant car il est clair que le procédé perd de l'énergie et ne peut donc pas dépasser la force initiale, la pression du réservoir.
On va donc tricher en créant un volume intermédiaire dont le mode de remplissage va amplifier la pression en utilisant ce qu'on vient de créer: une masse d'eau en mouvement.
  C'est en injectant cette eau dans un cône divergent que l'amplification se produit. Plusieurs phénomènes thermodynamiques entrent en jeu, ils sont décrits dans différents ouvrages avec force calculs, contentons-nous ici d'une description sommaire.
Dans le cône divergent, le volume va en augmentant et on pourrait croire que la pression doit baisser, mais elle augmente au contraire car la vitesse diminue. L'effet Venturi fonctionne dans les deux sens et la loi de conservation de l'énergie nous indique que celle perdue en vitesse doit bien se retrouver quelque part: en pression. Ce phénomène se constate facilement avec un tuyau de jardin dont on sent le durcissement lorsque l'on referme le jet. L'énergie qui n'est plus utilisée pour le déplacement de l'eau s'applique sous forme de pression statique.
   If we inject steam in a convergent cone set to suck water in, we get an outflow of accelerated hot water. This is not enough  because the hot water is not at the tank pressure and will run up against the check valve at the entry of the tank, without being able to open it. Indeed, the steam passed through cold piping, met water, condensed in it and gave it its energy.
On its side, the water captured this energy: it got speed and rose in temperature. It is still not enough because it is clear the process looses energy and can not overcome the initial force that is the tank pressure.
So we will cheat creating an intermediate volume of which the filling mode will amplify the pressure using what we just created, a moving mass of water.
It is while injecting this water in a divergent cone that the amplification takes place. Several thermodynamic phenomenons are involved, they are described in different books with detailed calculations, let's just have a summarized description.
In the divergent cone, the volume goes increasingly and we could believe that the pressure would drop, but it rises instead because the speed is lower. The Venturi effect works both ways and the energy conservation law tells us that the energy lost in speed must be found elsewhere: in pressure. This phenomenon is easily observed  with a garden hose we can feel hardening when closing its end. The energy that is no more used for travelling the water acts now as a static pressure.

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Alors pourquoi la pression monte dans le cône divergent au lieu de s'échapper par le trop-plein, qui mériterait alors bien son nom ?
En fait, l'eau a tellement de vitesse en entrant que, du fait de sa masse, elle exerce une pression supérieure à celle régnant dans le cône, elle peut donc continuer à entrer. Le trop-plein n'agit que lors des transitions, quand le jet n'est pas optimum et la pression insuffisante pour l'injection.
Le résultat, puisqu'on est dans le train, est comparable à la foule qui se presse dans le métro aux heures de pointe. Les passagers qui montent poussent ceux qui sont déjà à l'intérieur et se trouvent donc de plus en plus serrés. C'est exactement ça qui se passe dans notre cône divergent, sauf que l'eau arrive en courant et finit par éjecter des passagers déjà présents: c'est l'ouverture du clapet !
   Then why does the pressure rise in the divergent cone instead of escaping through the overflow that would merit its name ?
In fact, the water has so much speed that, due to its mass, it applies a pressure superior to the one in the cone, it can continue to enter. The overflow acts only during transitions, when the jet is not optimum and the pressure too low for injection.
The result, as we are in the train, is comparable to the crowd pressing in the subway cars at rush time. The entering passengers push against those already there and getting more and more tight. Thas is exactly what happens in our divergent cone except that the passengers come in running and finally eject the already present passengers: the check valve is opening !

Pour illustrer visuellement le phénomène, un exemple simple avec un fluide visqueux. S'il coule lentement, il a tendance à se déposer à la surface puis à s'étaler. Mais s'il tombe de plus haut, ce qui lui donne une plus grande vitesse, la chute pénètre la surface. On n'a pas changé la densité, ni la température, mais l'énergie potentielle supérieure du fait de la plus grande hauteur, donc plus grande vitesse, permet au fluide de franchir la tension de surface dans le récipient.
   To visually represent the phenomenon, a simple example with a viscous fluid. If it flows slowly, it has a tendancy to form a deposit on the surface then to spread out. But if it drops from higher, giving it more speed, the flow penetrates the surface. We did not change the density, nor the temperature, but the higher potential energy due to the greater height, then greater speed, allows the fluid to overcome the surface tension in the recipient.

Lien vers la vidéo en bas de page
Link to the video lower in this page

 

Bon, d'accord, l'eau entre, mais d'où vient la pression ?
En fait, le jet d'eau est comparable à un clou qui entre dans un bout de bois. Si on essaye de le planter à la main, la résistance du bois l'empêche de pénétrer. Mais si on lui donne de l'élan avec un marteau, il écarte les fibres du bois et s'y enfonce. La faible section du jet d'eau a le même effet que la pointe du clou: présenter une moindre surface à l'opposition de la matière déjà présente en face. Mais nous avons un volume défini et on y entasse de plus en plus de fluide, il se crée donc une pression. A un moment, la pression est à un niveau tel que le clapet s'ouvre et l'eau entre dans la chaudière. Cela se produit en fait assez vite puisque l'eau est incompressible dans ces conditions et que le circuit considéré est relativement court.
Au final, nous avons utilisé de la vapeur, mais l'avons rendue condensée à la chaudière, et l'eau injectée était chaude, causant beaucoup moins de perte calorique qu'une pompe. Les avantages de l'injecteur lui ont permis de surpasser les pompes, même les plus évoluées de type Worthington, grâce à un meilleur rendement et une conduite et un entretien simplifiés.
   Well, OK, the water gets in, but where does the pressure comes from ?
In fact, the water jet is comparable to a nail entering a piece of wood. If we try to push it in by hand, the wood resistance prevent it from getting in. But if we give it momentum with a hammer, it spreads out the wood fibers and gets in. The low section of the water jet has the same effect of the nail's tip: to present a lesser surface to the opposition of the matter already present upfront. But we have a definite volume and get more and more fluid in, then a pressure is created. Comes the moment when the pressure is such that the check valve opens and the water enters the boiler. It happens rather quickly in fact, since the water is incompressible in these conditions and the circuit relatively short.
   In the end, we used some steam, but returned it condensed to the boiler, and the injected water was hot, causing far less caloric loss than a pump. Tha advantages of the injector allowed it to surpass the pumps, even the most evolved ones like the Worthingtons, thanks to a better efficiency, and easier operation and maintenance.

Ce qui est décrit ici est la fonction essentielle d'un injecteur. Il en existe plusieurs variantes selon la disposition des organes. On distingue par exemple des injecteurs "aspirants" (capables de puiser l'eau d'un réservoir situé plus bas) et "en charge" (constamment remplis et n'ayant donc pas besoin d'aspirer l'eau). On distingue aussi les modèles à amorçage manuel classique des versions "restarting" (qui se réamorcent tout seuls en cas de manque d'eau passager). Il y a même eu des injecteurs utilisant la vapeur à l'échappement des cylindres pour en exploiter la puissance résiduelle ! Ces appareils sortent du cadre de cette étude, précisons simplement que comme ils ne fonctionnent évidemment pas à l'arrêt, ils ont fini par être équipés d'une arrivée de vapeur depuis la chaudière et il était finalement plus simple de n'avoir que l'injecteur simple.

Nous verrons dans d'autres articles la constitution d'injecteurs aspirants, l'un à amorçage manuel, l'autre en "restarting". Avant cela, nous verrons déjà les difficultés qu'on rencontre le plus fréquemment avec les injecteurs et leurs causes.

Vous pouvez retrouver cette explication en vidéo sur notre chaîne Youtube, avec les 

illustrations animées très explicites.

   What is described here is the essential function of an injector. There are several variants, depending on the organs disposition. We can distinguish, for example, the "suction" injectors (capable of getting water from a lower tank), and the "in charge" ones (constantly filled then no need to suck the water in). We also distinguish the models with classic manual priming from those the "restarting" versions (self-priming after a momentary lack of water). There also were some injectors using the steam escaping the cylinders to reclaim its residual power ! These devices are autside the frame of this study, let's just precise that they obviously did not work during stops, so they were fitted with a steam supply from the boiler, it was simpler to keep using the classic injector.
We will see in future articles the constitution of aspiration type injectors, one with manual priming and the other in the restarting version. Prior to this, we will see the difficulties most frequently encountered with injectors and their causes.
You can find these explanations in a video on our Youtube channel, with explicit animations.

La Classe Vapeur 43 - '43 steam course

Bonjour, prenez vos cahiers et soyez attentifs!
   Hello, open your copybook and listen carefully!

Voici la première leçon sur la technologie de la locomotive à vapeur.
C'était en 1943, le samedi, et un des élèves était le jeune Roger MENU qui était en apprentissage à la SNCF. Vous allez découvrir à travers son cahier de cours les fondamentaux de techniques ferroviaires de la traction vapeur.
Tous les schémas étaient réalisés à la main. D'abord une ébauche au crayon puis une mise au propre à l'encre. Les cahiers étaient vérifiés régulièrement par le professeur et il fallait que ce soit impeccable.   
   This is the first lesson on the steam locomotive technology.
It was in 1943, on saturday, and one of the students was the young Roger MENU, aprrentice at SNCF. You will discover, through his copybook, the technical fundamentals of the steam traction.
All the schematics were drawn by hand. First a draft with a pencil, then a finalization with ink. The copybooks were frequently inspected by the professor and must be neat.

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Les cours s'appuyaient sur le livre de la profession "Le monteur mécanicien des Chemins de fer - Tome 1 Technologie de la locomotive" écrit par G. DUBOS. Ce livre était disponible à la librairie de l'enseignement technique 61, boulevard Saint-Germain à Paris Vème. Elle existe toujours et si je vous dit librairie Eyrolles alors là vous situerez tout de suite! **
   The lessons relied on the reference book "The railway mechanics", written by G. DUBOS. This book was available at the technical teaching library, 61 Boulevard Saint-Germain, Paris 5. It still exists today, and if I say Eyrolles library, you might know it ! **

Cette première leçon s'appuie sur la première partie , chapitre 1 la chaudière.

Pour illustrer, en savoir plus, nous vous invitons à cliquer sur le libellé (dans la liste à droite de l'écran) correspondant au sujet. Ainsi en cliquant sur le libellé "Chaudière" vous pourrez lire (ou relire) l'article détaillé de la chaudière de la locomotive 040 (Brigadelok).

C'est tout pour aujourd'hui. Rendez-vous à la prochaine leçon!

    This first lesson relies on the first part, chapter 1, the boiler.
For more informations, we invite you to click on the label (right part of the screen) corresponding to the subject. Thus, by clicking on the label "Boiler", you could read (or reread) the detailed article about the boiler of the 080 locomotive (Brigadelok).
That's all for today. See you for the next lesson !

 

 

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Notez l'attention portée, dès le premier cours, à des détails comme la rétention d'eau dans les viroles de la chaudière pour prévenir la corrosion après vidange ou l'accumulation de dépôts indésirables. C'est déjà une mise en avant de l'importance de garder les chaudières propres.

   Note the attention given, from the first lesson, to details like water retention inside the boiler body to prevent corrosion when empty or the pile-up of unwanted sediments. It is already a highlighting of the importance of keeping the boilers clean.

**
Léon Eyrolles est le créateur d'un cours par correspondance, d'une école des travaux publics, puis d'une librairie technique, toujours en activité à ce jour. Le groupe Eyrolles a publié de très nombreux ouvrages de références en tous domaines et reste un incontournable dans les domaines techniques.

   Leon Eyrolles is the creator of a correspondence learning course, a school of public works, then a technical library, still in activity today. The Eyrolles group has published numerous reference books in every domains and remains unavoidable in the technical field.

Moteur Stirling

La vapeur c'est bien mais c'est aussi dangereux! Dans les premiers temps de l'apparition des machines à vapeur, toutes sortes de machines étaient créées. Avec la recherche de performance certains risques étaient pris et parfois cela se finissait très mal.
   Steam is nice, but it’s also dangerous! In the early days of the appearance of steam engines, all kinds of machines made were created. With the search for performance some risks were taken and sometimes it ended very badly.

 

Robert Stirling invente en 1816 le moteur à air chaud qui devait être une alternative aux moteurs à vapeur "classiques". L'idée était géniale et il a fallu plus d'un demi siècle pour que l'on puisse décrire mathématiquement son cycle de fonctionnement.
   In 1816, Robert Stirling invented the hot air engine, which was to be an alternative to "classical" steam engines. The idea was brilliant and it took more than half a century for its cycle to be mathematically described. 

Le succès a été au rendez-vous (pompe hydraulique) mais la puissance restait relativement limitée au départ. Au fur et à mesure des décennies, les développements permettent d'atteindre des puissances plus importantes et en utilisant toutes les sources de chaleur possibles.
   The success was there (hydraulic pump) but the power remained relatively limited at the start. As the decades go by, the developments make it possible to reach greater powers using all possible sources of heat.

Le principe/ Principle:

Tout est basé sur un cycle de thermodynamique. Il y a plusieurs types de moteurs Stirling (Alpha, Beta, Gamma). Le type Alpha est plutôt bien pour démarrer et comprendre le principe. Il est composé de deux pistons : un chaud et l'autre froid, d'une roue qui relie les transmissions des deux pistons.
   Everything is based on a thermodynamic cycle. There are several types of Stirling motors (Alpha, Beta, Gamma). The Alpha type is pretty good for getting started and understanding the principle. It consists of two pistons: one hot and the other cold, a wheel that connects the transmissions of the two pistons.

Le fonctionnement est un peu comme une valse à 4 temps:

Temps 1  : On chauffe le piston chaud à volume constant,

Temps 2 :  Une détente du gaz se fait et pousse le piston chaud qui envoie une partie du gaz qui se refroidit vers le piston froid,

Temps 3 : Refroidissement du gaz dans le piston froid et diminution de la pression, le piston froid descend, 

Temps 4: Le gaz augmente à nouveau de volume et compression, et le cycle recommence.

The operation is a bit like a 4-step waltz:

Step 1 : The hot piston is heated at constant volume,

Step2: A gas expansion occurs and pushes the hot piston which sends some of the gas that to cool in the cold piston,

Step 3: Cooling the gas in the cold piston and decreasing pressure, the cold piston goes down,

Step 4: The gas increases again in volume and compression, and the cycle starts again

Ci-après une illustration de ce type de moteur (que nous n'avons pas fabriqué). On peut voir sur la première photo le bruleur qui fonctionne avec de l'alcool à brûler, le cylindre en verre avec le piston chaud, la roue. 
   Below is an illustration of this type of engine (which we did not manufacture). We can see in the first photo the burner that works with methylated spirits, the glass cylinder with the hot piston, the wheel.

Vues de la maquette du moteur

Sur la photo suivante, on peut voir les deux cylindres avec le piston chaud, la communication entre les deux pistons, les transmissions.

   In the next picture, we can see the two cylinders with the hot piston, the communication between the two pistons, the transmissions.

En vidéo:

Avec une vidéo c'est encore mieux ici
    Better in Video here

Voilà, vous venez de découvrir ou redécouvrir une des facettes de la vapeur.
   Well, you have just discovered or rediscovered one of the facets of steam.

Une étrange vapeur à SAINTES - A strange steam at SAINTES

Dans le monde de la vapeur tout est possible en matière de technique. Pour vous en donner la preuve, nous allons nous rendre dans la ville de SAINTES en Charentes. 
   In the world of steam machines anything is possible in terms of technique. To give you proof of that, we will go to the city of SAINTES in Charentes.

Cette belle ville est connue, entre autres, pour ses vestiges romains mais aussi pour son importance ferroviaire.
   This beautiful city is known, among other things, for its Roman remains but also for its railway importance.

L'arc de triomphe -The Triumphal Arch

La locomotive que nous allons voir se situe à côté de l'établissement d'exploitation et du Technicentre de la SNCF.  Les bâtiments SNCF pour l'exploitation sont d'une architecture typique du siècle passé avec cette grande façade imposante, clôture avec grille en fer forgé et son horloge que l'on ne peut manquer.

The locomotive we are going to see is located next to the SNCF operating facility and Technicentre.  The SNCF buildings for operation are of a typical architecture of the past century with this large imposing façade, fence with wrought iron gate and its clock that cannot be missed.

  

Les locomotives "pot de fleur" sont souvent intéressantes car elles ont souvent des particularités. La 020 qui est présentée a une livrée avec de belles armoiries - celles de la ville de SAINTES - et ce n'est déjà pas courant. Sa physionomie, avec sa soute à charbon et ses 3 fenêtres, laisse déjà présager qu'elle est étrangère.

Static locomotives are often interesting because they often have peculiarities. The 040 that is presented  with beautiful coats of arms - those of the city of SAINTES - and this is already not common. Its appearance, with its coal tank and 3 windows, already suggests that it is foreigner.

La 020 vue de derrière - The 040 rear view

Les armoiries de la ville de SAINTES - The coat of arms of the city of SAINTES

Il y a une plaque descriptive juste à côté et là c'est la première surprise car cette loco est allemande!

There is a descriptive plate next to the loco and there is the first surprise because this loco is German!

Plaque descriptive - Information plate

Il est fait mention du maire de l'époque mais pourquoi le choix de cette loco allemande ?  Le site Internet "patrimoine ferroviaire français" (lien ici) donne quelques précisions intéressantes sur son origine. Le constructeur est bien Jung et la machine est immatriculée sous le n° 13874. Ce constructeur a également fabriqué une centaine de Brigadelok. Par contre sa date de fabrication n'est pas certaine. Il semble probable que cette locomotive ait été importée et utilisée à la fonderie de Ruelle sur Touvre (Direction des Constructions Navales). En la regardant d'un peu plus près, on une étrange impression, comme s'il s'agissait d'un gros jouet.

It is mentioned the mayor of the time but why the choice of this German loco?  The website "French railway heritage" (link here) gives some interesting details about its origin. The manufacturer is indeed Jung and the machine is registered under the number 13874. This manufacturer also manufactured a hundred Brigadelok. However, its production date is not certain. It seems likely that this locomotive was imported and used at the "Ruelle sur Touvre" foundry (Direction des Constructions Navales). Looking at it a little closer, you get a strange impression, as if it were a big toy.

La loco vue de face - The loco from the front

Les caisses à eau ont l'air bien mince par rapport au corps de chaudière. Idem pour la hotte à charbon. Deuxième surprise, les cylindres sont à l'arrière. Décidément cette machine n'est pas comme les autres. En cherchant un peu dans les fabrications de l'usine Jung, on peut trouver des locomotives du même type datant de 1921 et 1922. Elles fonctionnaient avec de la vapeur stockée! Ceci expliquerait les caisses à eau, la hotte à charbon et la cheminée factices. 

The water tanks look very thin compared to the boiler body. Same goes for the coal tank. Second surprise, the cylinders are at the back. Decidedly this machine is not like the others. Looking a little in the manufactures of the Jung factory, we can find locomotives of the same type dated 1921 and 1922. They worked with stored steam! This would explain the water tank, the coal tank and the dummy chimney. 

Vue du cylindre juste en dessous de la cabine/View of the cylinder just below the cab

Il n'y a pas de boite à feu non plus. Ce type de machine présente quand même un certain nombre d'avantages comme une facilité de mise en oeuvre et d'entretien, une bonne capacité (rapport poids/volume). Au bout de 6 à 8 heures, il faut remplir à nouveau le réservoir.

There is no firebox either. This type of machine still has a number of advantages such as ease of implementation and maintenance, good capacity (weight-to-volume ratio). After 6 to 8 hours, the tank must be refilled.

Avec tous ces éléments, il n'est pas surprenant que cette locomotive à stockage de vapeur ait été utilisée dans un environnement particulièrement sensible (armement à la DCN) et c'est bien la preuve que la vapeur est un domaine plein de surprises et pas si dépassé que ça si on considère l'aspect environnemental.

With all these elements, it is not surprising that this steam-storage locomotive was used in a particularly sensitive environment (armament factory such as the DCN) and it is proof that steam is an area full of surprises and not so outdated if we consider the environmental aspect.

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 !