Chaudière de navire

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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.

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Invention de la machine à vapeur

Denis Papin (1647-1713): physicien, mathématicien et inventeur français, connu notamment pour ses travaux sur la machine à vapeur.

Né à Blois. Le temple protestant de la ville est rasé. Il se réfugie en Allemagne. Le prince de Hesse (région de Francfort-sur-le-Main) lui attribue une chaire de mathématiques à l'université de Marburg (nord de Francfort).

En 1681, avec le soutien de Colbert, il crée une pompe à vide et une l'ancêtre de la cocotte-minute: "appareil pour faire cuire toute sortes de viandes en fort peu de temps et à peu de frais".

À partir de 1688, en Allemagne, il travaille à l'invention de la machine à vapeur: "Comme l'eau a la propriété, étant par le feu chargée de vapeurs, de faire ressort comme l'air, et ensuite de se condenser … j'ai cru qu'il ne serait pas difficile de faire des machines".

En transformant le mouvement de va-et-vient du piston en mouvement rotatif, Denis Papin vient d'inventer la machine et la locomotion à vapeur

D'après Le grand Bêtisier de l'Histoire de France – Alain Dag'Naud

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 Gas – Combinaison 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 Gas – Combinaison 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)

¹Le 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 = (T_SC – T_SF) / T_SC. 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

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

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.

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	Calcul – Index 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