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Propulsion

 

Glossaire

Général

 

INDEX

SCIENCES

 

Cylindrée

Chaudière

Réacteur

Voile

 

Sommaire de cette page

>>> Types de propulsion des navires

>>>  Navires ayant marqué l'histoire

>>>  Vocabulaire: navires et machines à vapeur

>>>  Principe du double effet

>>>  Principe de la machine à vapeur

>>>  Super machine à dix moteurs

 

 

 

 

CHAUDIÈRES

Propulsion des navires

 

Quelques données sur la puissance des chaudières à vapeur utilisées pour les navires.

Les premiers navires à vapeur apparaissent dans les années 1820 pour les traversées océaniques. Les chaudières à mazout s’imposent dans les années 1920.

 

Source de l'image >>>

 

 

Types de propulsion des navires

 

*    1820 : machine à vapeur ou steamship (S/S). Poussée de la vapeur sur un piston. D'abord à roues à aubes latérales puis à hélice. Les premiers steamers consommaient plus d'une tonne de charbon par heure (24 à 30 tonnes par jour).

*    1907: turbine à vapeur (T/S). Poussée de la vapeur sur une hélice. La turbine tourne vite (2 500 tr/min). Un réducteur adapte la vitesse à celle optimale pour l'hélice (100 tr/min).

Avantages:

*      grandes vitesse,

*      moins de poids à puissance égale,

*      consommation moindre,

*      moins de vibrations.

*    Combinaison machines à vapeur et turbines pour récupérer l'énergie résiduelle de la vapeur. Gain d'environ 15 %.

*    En 1920, le charbon est remplacé par le mazout, plus facile à stocker, à manipuler et à utiliser. Après la seconde guerre mondiale, la pression des chaudières destinées aux turbines monte jusqu'à 64 kgf/cm².

 

*    Première guerre mondiale: turbine à vapeur et alternateur (T/R/V – turbo electric vessel). La turbine à vapeur entraîne un alternateur qui fournit son électricité à un moteur électrique, lequel fait tourner l'hélice du navire.

 

*    1912: moteur Diesel (M/S – Motor ship). Ce moteur à été inventé par Rudolph Diesel en 1893. L'air et comprimé et un le combustible injecté s'y enflamme spontanément. Le rapport de compression tourne autour de 20 et engendre une température voisine de 700°C. C'est le mode de propulsion le plus répandu sur les navires d'aujourd'hui.

 

*    Moteur diesel-électrique (D/E/S – Diesel-electric ship). Le moteur diesel entraîne un alternateur qui alimente un moteur électrique, lequel est couplé à l'hélice du navire.

 

*    Après la Seconde Guerre mondiale: turbines à gaz, comme les réacteurs d'avions

 

*    CODAG (COmbined Diesel And GasCombinaison Diesel et gaz). Application militaire: les moteurs diesels, plus économiques assurent la croisière alors que les turbines à gaz sont utilisées pour booster la vitesse.

 

*    COGOG (COmbined Gas Or GasCombinaison Gaz ou Gaz). Croisière avec  des turbines à gaz de grande puissance. Turbine complémentaire pour booster.

 

*    Moteur nucléaire. Application militaire (sous-marins et porte-avions). Quatre navires de commerce à propulsion nucléaire ont été construits, le premier en 1962.
 

 

 

 

Principaux navires ayant marqué l'histoire

 

Nom

Date

Longueur

(m)

Tonnage*

(tonneaux) ou

Déplacement

(tonnes)

Timbre

kgf / cm²

Alésage

du cylindre (m)

puis type de propulsion

Course

du piston

(m)

Puissance

(ch)

1 ch =  736 W

Vitesse

moyenne

(Nœuds)

SS SAVANNAH

1818

33,50

*320

0,07

1,02

1,52

90 A

  4

SS SIRIUS

1838

63,50

1 995

0,353

1,52

1,82

320 A

  6,7

SS GREAT WESTERN

1838

72

 2300

0,34

1,87

2,14

750 A

10,2

1839

Déjà plus de 800 navires de plus de 155 tonneaux aux États-Unis. Le plus gros: 860 tonneaux et 300 chevaux (Le Natche)

SS BRITANNIA

1840

63

1 150

0,7

 

 

880 A

10,6

SS GREAT BRITAIN

1845

98,10

3 000

0,35

2,25

1,80

1000 H

11

SS GREAT 1

 EASTERN

1880

211

27 859

 

 

 

3400 A

+ 4900 H

14

SS FRANCE

SS WASHINGTON

1864

1864

108

105

*3 200

 

 

 

850 A puis H

950 A puis H

13

12

SS La NORMANDIE

1883

146

 

6

0,9 HP

1,9 BP

 

6 500 H

14,5

KAISER WILHELM

der GROSSE

1897

199,5

*14 349

12,3

1,32 HP

2,28 MP

2 x 2,45 BP

 

31 000

22

DEUTSCHLAND

1900

208,5

*16 500

27 350

15,5

2 x quadruple

expansion

 

33 000

23

OLYMPIC

TITANIC

BRITANNIC (Gigantic)

1911

1912

1915

268,8

269,1

275,0

*45 324

*46 329

*48 158

15

2 x triple

expansion + 1 turbine

3 hélices 2

 

51 000

51 000

60 000

21

RMS LUSITANIA 1

1907

239,9

*31 550

 

4 hélices Turbines à vapeur

 

76 000

26,3

RMS QUEEN MARY 3

1936

310,7

*80 774

27

4 hélices

Turbines à vapeur

 

200 000

32,6

SS FRANCE

1962

315,5

*66 348

64

4 hélices

Turbines à vapeur

 

160 000

31

MS SOVEREIGN

(of the SEAS)

1988

268,3

*73 192

 

4 moteurs Diesel

 

27 840

21,5

Voir Navires et sous-marins / Unités

 

 

Notes

A = roue à aubes (paddle-steamer); 

H = hélices (propeller, screw) – Pale = blade. (Sans indication, il s'agit d'hélices)

 

1   Le plus grand navire jusqu'en 1907, battu par la Lusitania à turbine à vapeur, puis le Mauretania quelques mois après.

    et seul navire à cinq cheminées; 14 ont eu quatre cheminées dont le Titanic.

2 Dans le jargon, on préfère dire: ligne d'arbre.

3 Musée sur un quai de Los Angeles- Long Beach.

 

 

 

Vocabulaire des navires et machines à vapeur

 

Navire

ou

Bateau?

 

Bateau en général: engin flottant et qui peut être dirigé.

Bateau en particulier: embarcation destinée à la navigation sur les fleuves et les canaux

Embarcation: bateau de petite taille.

Navire: bateau destiné à la navigation maritime (où s'applique la réglementation de navigation maritime).

Vaisseau: ancien navires à voile.

Bâtiment: navire de guerre ou de commerce.

Vocabulaire loin d'être stabilisé. Par exemple, chez les marins les corvettes, frégates et vaisseaux sont connus sous l'appellation: navires de surface.

 

Anglais: watercrafts / boats / ships / vessels.

 

 

Steamship

Littéralement navire (ship) à vapeur (steam). Navire propulsé par une machine à vapeur, généralement alternative.

 

Motorship

Navire avec moteur Diesel.

 

 

Chaudière

Foyer  de combustion du charbon (ou du mazout). L'eau circule dans de nombreux tuyau pour augmenter la surface de chauffe. La vapeur sous haute pression est dirigée vers le cylindre. La fumée résultant de la combustion est évacuée via d'immenses cheminées.

C'est la source chaude du cycle de Carnot.

 

Condenseur

Le condenseur récupère la vapeur qui a travaillé pour la refroidir en la faisant passer via des serpentins dans un bain d'eau froide. L'eau qui en résulte repart vers la chaudière.

À l'inverse de la chaudière, c'est la source froide du cycle de Carnot. On comprendra mieux pourquoi chauffer une max et refroidir le plus possible, lorsqu'on saura que le rendement est proportionnel à la différence de température. Rendement maximum  = (TSC – TSF) / TSC. Voir Principe de fonctionnement.

 

Cylindre

Chambre circulaire dans laquelle se déplace le piston d'un point mort haut vers un point mort haut et inversement. Sur les navires, la cylindrée est colossale avec des diamètres de 2 m et une course du piston de 2 m également, soit plus e 6 m3.

En provenance de la chaudière, la vapeur sous haute pression (vapeur vive) exerce une pression sur le piston qui coulisse dans un sens; tandis que la vapeur présente de l'autre côté du piston s'évacue vers le condenseur. Voir Double effet.

 

 

Pression

ou

Timbre

Le timbre d'une chaudière est la pression maximale d'utilisation. Il est égal à la pression effective que la chaudière peut supporter sans déformation et qui ne doit pas être dépassée. La pression effective est égale à la pression absolue moins la pression atmosphérique.

 

Unités

L'unité officielle est le Pascal. Dans la littérature sur ce sujet, on trouve encore:

*      le kgf/ cm² = 9,80665 104 Pa

*      psi (pound per square inch) = 6,894757 103 Pa

                                                =  0,0703 kgf/cm².

Exemples

Savannah, le premier navire à vapeur : 0,07 kgf/cm².

La Normandie: 85 psi  = 6 kgf/ cm²

Maximum atteint par les machines à vapeur: 16 kgf/cm²

Locomotive à vapeur: Union Pacific Big Boy: 300 psi = 22 kgf/cm².

 

 

Régulation

Étude de la distribution de la vapeur pour la meilleure performance.

 

Double effet

ou

Alternative

La vapeur exerce sa poussée alternativement d'un coté puis de l'autre du piston. Voir Principe de fonctionnement.

 

Tiroir

Vannes manœuvrés au rythme des pistons permettant la distribution de la vapeur d'un côté ou de l'autre du piston (machine à double effet).

 

Registre

Dispositif qui règle le tirage de la chaudière (régulation de l'intensité du feu) en fonction de la pression de la vapeur et de la consigne donnée à l'aide d'une corde ou d'une chaînette.

On modère la vitesse au moyen du registre qui supprime complètement l'admission de la vapeur dans le cylindre à une fraction déterminée de la course du piston.

 

Expansion

Simple expansion: un seul cylindre.

Double expansion (ou machine compound): deux cylindres (HP et BP) alimentés par la même vapeur en cascade.

Triple expansion: trois cylindres (HP, MP et BP) en cascade.

Quadruple expansion: motivé pour obtenir un couple plus régulier  en répartissant la puissance  sur quatre manivelles. Introduite ne 1900.

 

HP

MP
BP

HP haute pression,

MP Moyenne pression, et

BP basse pression.

Machine à vapeur à triple expansion. La vapeur exerce sa poussée successivement (en cascade) sur trois pistons, de plus en plus grands au fur et à mesure de la baisse de pression de la vapeur.

 

 

Principe du double effet

 

*    Le piston dans sa course de haut en bas entraîne le vilebrequin (via une manivelle qui relie le mouvement linéaire au mouvement rotatif).

*    Le même vilebrequin fait naviguer le tiroir, sorte de double robinet qui autorise l'entrée de la vapeur vive (puissante) et l'échappement de la vapeur "molle"  vers le condenseur d'un côté ou de l'autre selon la position du piston.



*    Comme pour les moteurs thermiques, le phasage (calage) du cycle présente des étapes intermédiaires entre les deux décrites ci-dessus, et le cycle d'ouverture / fermeture des tiroirs fait l'objet d'un réglage particulièrement minutieux.

 

Voir Une telle machine animée (Wikipédia)

 

 

 

Principe de la machine à vapeur

 

*    Le bloc contenant le cylindre et le tiroir est alimenté en vapeur vive par la chaudière au charbon. La vapeur est alors sous très haute pression.

*    La vapeur ayant fait son effet, sous plus faible pression se dirige vers un condenseur dont le but est de refroidir vivement la vapeur et de la retourner sous forme liquide à la chaudière.

 

*    En fait, l'eau refroidie est stockée dans un réservoir (bâche)  après filtrage pour éliminer l'huile quelle pourrait contenir du fait du graissage des pistons. L'eau retourne vers la chaudière en fonction des besoins et grâce à l'action d'une pompe.

 

 

Machine à vapeur "toutes voiles dehors"

 

*    Le summum de la puissance avec dix moteurs à vapeur:

*      quadruple effet: la vapeur agit en cascade sur quatre pistons de plus en plus grands,

*      turbine: qui récupère la vapeur en fin d'action sur les pistons, et

*      tout cela doublé à bâbord et tribord.


 

 

Données issues en priorité de l'ouvrage indiqué en référence et complété par Wikipédia et autres sites des passionnés de ces navires

 

 

Suite

*  Cycle de Carnot

*  Chaleur

Aussi

*  Moteur à explosions

*  Mouvement en physique

*  Moteurs de toutes sortes – Diaporama Junior (Te8)

*  Historique des inventions

Voir

*  CalculIndex

*  Calcul sur le cylindre

*  Camion

*  Limites de la physique

*  Trains

*  Unités de volume

*  Voitures

*  Volume de la sphère à partir de celui du cylindre

Livre

*   Propulsion des navires d'hier et d'aujourd'hui – A. Bragagnolo – 1997 (Autoédition) Vous y retrouverez tous ces navires et leur histoire, et des explications sur le fonctionnement des machines à bord.

*  Histoire descriptive de la machine à vapeur – R. Stuart – 1827 – Disponible sur Internet

*  Dictionnaire raisonné de la Marine – 1841 – Disponible sur Internet

Cette page

http://villemin.gerard.free.fr/aScience/Mecaniqu/Chaudier.htm

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