Moteur à Combustion Externe : Machines et Turbines à Vapeur

Moteur à Combustion Externe

Principes des Machines à Vapeur

Éléments Clés de la Machine à Vapeur et Leurs Fonctions

• Foyer (ou Chambre de Combustion) : Élément extérieur à la machine où le combustible est brûlé.
• Chaudière : Récipient où la vapeur est générée. L'eau liquide, pompée à haute pression et à température ambiante, est chauffée et vaporisée. Elle passe ensuite dans un surchauffeur où sa température augmente (tout en maintenant la pression de la chaudière). La vapeur surchauffée entre finalement dans le cylindre.
• Cylindre : Composé de la boîte de distribution, de la culasse et du piston. À l'intérieur, la vapeur se dilate, provoquant le mouvement alternatif du piston, qui est ensuite transmis aux mécanismes de transformation du mouvement. La boîte de distribution dirige la vapeur dans le cylindre pour assurer le mouvement alternatif du piston. Après expansion, la pression et la température de la vapeur diminuent, et une partie se condense. Le mélange de liquide et de vapeur saturée passe ensuite dans un condenseur, où la vapeur restante se condense en libérant de la chaleur à un fluide caloporteur. Le liquide condensé est finalement renvoyé à la chaudière par une pompe, complétant ainsi le cycle.

La Turbine à Vapeur

Les turbines à vapeur constituent un mécanisme alternatif pour exploiter l'expansion de la vapeur. Dans ces systèmes, la vapeur est distribuée par des jets (souvent quatre) qui agissent directement sur les aubes d'une roue, la faisant tourner à des vitesses pouvant atteindre environ 10 000 tours/minute (tr/min). En traversant le jet, la vapeur perd de la pression mais gagne en vitesse. Le flux est orienté de manière à impacter tangentiellement les aubes.

Ce dispositif présente l'avantage de l'absence de cylindre et d'organes de mouvement alternatif, ce qui se traduit par un rendement plus élevé. Le régime de base de fonctionnement de la turbine utilise le cycle de Rankine, identique à celui de la machine à vapeur. Cependant, des modifications fondamentales du cycle sont couramment mises en œuvre pour améliorer la performance globale. Deux des améliorations les plus importantes sont :

1. La surchauffe de la vapeur pour récupérer du travail par l'expansion de la vapeur d'eau produite.
2. Le préchauffage de l'eau à l'entrée de la chaudière par extraction de la vapeur avant sa pleine expansion.

Les turbines sont actuellement utilisées dans les usines de production d'énergie électrique, pour la propulsion des navires, dans les hauts fourneaux et dans les systèmes de cogénération.