Une machine à vapeur est une machine thermique qui effectue un travail mécanique en utilisant la vapeur comme fluide de travail. La machine à vapeur utilise la force produite par la pression de la vapeur pour pousser un piston d'avant en arrière à l'intérieur d'un cylindre.
Cette force de poussée peut être transformée, par une bielle et un volant, en force de rotation pour le travail. Le terme "machine à vapeur" s'applique généralement uniquement aux moteurs alternatifs tels que décrits ci-dessus, et non à la turbine à vapeur.
Les moteurs à vapeur sont des moteurs à combustion externe, où le fluide de travail est séparé des produits de combustion. Le cycle thermodynamique idéal utilisé pour analyser ce processus s'appelle le cycle de Rankine.
Dans l'usage général, le terme machine à vapeur peut désigner soit des centrales à vapeur complètes (y compris des chaudières, etc.), telles que des locomotives à vapeur de chemin de fer et des moteurs portables, soit des machines à piston ou à turbine seules, comme dans le moteur à faisceau et stationnaire. machine à vapeur.
Bien que les appareils à vapeur aient été connus dès l'éolipile au premier siècle de notre ère, avec quelques autres utilisations enregistrées aux XVIe et XVIIe siècles, Thomas Savery est considéré comme l'inventeur du premier appareil à vapeur utilisé dans le commerce, une pompe à vapeur. qui utilisaient la pression de la vapeur fonctionnant directement sur l'eau.
Le premier moteur à succès commercial capable de transmettre une puissance continue à une machine a été développé en 1712 par Thomas Newcomen. James Watt a apporté une amélioration critique en évacuant la vapeur usée dans un récipient séparé pour la condensation, améliorant considérablement la quantité de travail obtenue par unité de carburant consommée.
Au 19e siècle, des machines à vapeur stationnaires alimentaient les usines de la révolution industrielle. Les moteurs à vapeur ont remplacé les voiles des navires sur les bateaux à aubes et les locomotives à vapeur ont fonctionné sur les chemins de fer.
Les moteurs à vapeur à piston alternatif étaient la principale source d'énergie jusqu'au début du XXe siècle, lorsque les progrès dans la conception des moteurs électriques et des moteurs à combustion interne ont entraîné le remplacement progressif des moteurs à vapeur à usage commercial. Les turbines à vapeur ont remplacé les moteurs alternatifs dans la production d'électricité, en raison d'un coût inférieur, d'une vitesse de fonctionnement plus élevée et d'une efficacité accrue.
Dans une machine à vapeur, la vapeur chaude, généralement fournie par une chaudière, se dilate sous pression et une partie de l'énergie calorifique est convertie en travail. Le reste de la chaleur peut être autorisé à s'échapper ou, pour une efficacité maximale du moteur, la vapeur peut être condensée dans un appareil séparé, un condenseur, à une température et une pression relativement basses.
Pour un rendement élevé, la vapeur doit traverser une large plage de températures en raison de sa dilatation dans le moteur. La performance la plus efficace, c'est-à-dire la plus grande production de travail par rapport à la chaleur fournie, est assurée en utilisant une température de condenseur basse et une pression de chaudière élevée.
La vapeur peut être encore chauffée en la faisant passer à travers un surchauffeur sur son chemin de la chaudière au moteur. Un surchauffeur commun est un groupe de tuyaux parallèles dont les surfaces sont exposées aux gaz chauds dans le four de la chaudière.
Au moyen de surchauffeurs, la vapeur peut être chauffée au-delà de la température à laquelle elle est produite par l'eau bouillante.
Dans un moteur alternatif, le type de moteur à vapeur à piston et cylindre, la vapeur sous pression est admise dans le cylindre par un mécanisme de soupape. Au fur et à mesure que la vapeur se dilate, elle pousse le piston, qui est généralement relié à une manivelle sur un volant d'inertie pour produire un mouvement rotatif. Dans le moteur à double effet, la vapeur de la chaudière est admise alternativement de chaque côté du piston.
Dans une machine à vapeur simple, l'expansion de la vapeur a lieu dans un seul cylindre, alors que dans la machine à vapeur composée, il y a deux cylindres ou plus de taille croissante pour une plus grande expansion de la vapeur et une plus grande efficacité; le premier et le plus petit piston est actionné par la vapeur haute pression initiale et le second par la vapeur basse pression évacuée du premier.
Dans la turbine à vapeur, la vapeur est évacuée à grande vitesse à travers des buses, puis s'écoule à travers une série d'aubes fixes et mobiles, provoquant le déplacement d'un rotor à grande vitesse. Les turbines à vapeur sont plus compactes et permettent généralement des températures plus élevées et des taux de détente plus élevés que les moteurs à vapeur alternatifs. La turbine est le moyen universel utilisé pour générer de grandes quantités d'énergie électrique avec de la vapeur.
Les machines à vapeur étaient utilisées dans toutes sortes d'applications, y compris
