Moteur à poutre

Moteur à poutreHistoireetMoteurs à poutre rotative

Un moteur à poutre est un type de machine à vapeur dans lequel une poutre supérieure pivotante est utilisée pour appliquer la force d'un piston vertical à une bielle verticale . Cette configuration, avec le moteur entraînant directement une pompe, a été utilisée pour la première fois par Thomas Newcomen vers 1705 pour éliminer l'eau des mines de Cornwall . L'efficacité des moteurs a été améliorée par des ingénieurs, dont James Watt , qui a ajouté un condenseur séparé ; Jonathan Hornblower et Arthur Woolf , qui ont composé les cylindres ; et William McNaught, qui a conçu une méthode de composition d'un moteur existant. Les moteurs à poutre ont d'abord été utilisés pour pomper l'eau hors des mines ou dans les canaux, mais pourraient être utilisés pour pomper de l'eau pour compléter le débit d'une roue à eau alimentant un moulin .

Un moteur Watt : montrant l'entrée de vapeur et d'eau
La poutre en fonte du moteur Boulton & Watt 1812 à la station de pompage de Crofton - l'exemple le plus ancien au monde en état de marche
Arrière du Musée De Cruquius près d' Amsterdam , une ancienne station de pompage utilisée pour pomper le Haarlemmermeer . Il montre les faisceaux du moteur de pompage et la baisse de 9 mètres du niveau d'eau de la rivière Spaarne . Le moteur à faisceau est le plus grand jamais construit et a été utilisé jusqu'en 1933.
Les restes d'un moteur à faisceau à eau à Wanlockhead

Le moteur à poutre rotative est une conception ultérieure de moteur à poutre où la bielle entraîne un volant au moyen d'une manivelle (ou, historiquement, au moyen d'un soleil et d'un engrenage planétaire ). Ces moteurs à faisceau pourraient être utilisés pour alimenter directement l' arbre de transmission dans une usine . Ils pourraient également être utilisés pour propulser des navires à vapeur .

Les premiers moteurs à faisceau étaient à eau et utilisés pour pomper l'eau des mines. Un exemple préservé peut être vu à la mine de plomb Straitsteps à Wanlockhead en Écosse .

Les moteurs à poutre étaient largement utilisés pour alimenter les pompes du système de canaux anglais lorsqu'il a été agrandi au moyen d' écluses au début de la révolution industrielle , et aussi pour drainer l'eau des mines à la même période et comme moteurs d'enroulement .

Le premier moteur à faisceau à vapeur a été développé par Thomas Newcomen . Ce n'était pas, à proprement parler, alimenté à la vapeur, car la vapeur introduite sous le piston était condensée pour créer un vide partiel permettant ainsi à la pression atmosphérique de pousser vers le bas le piston. Il a donc été appelé un moteur atmosphérique. Le moteur atmosphérique Newcomen a été adopté par de nombreuses mines à Cornwall et ailleurs, mais il était relativement inefficace et consommait une grande quantité de carburant. Le moteur a été amélioré par John Smeaton mais James Watt a résolu les principales inefficacités du moteur Newcomen dans sa machine à vapeur Watt par l'ajout d'un condenseur séparé, permettant ainsi au cylindre de rester chaud. Techniquement, c'était encore un moteur atmosphérique jusqu'à ce que (sous les brevets ultérieurs) il enferme la partie supérieure du cylindre, introduisant de la vapeur pour également pousser le piston vers le bas. Cela en a fait une véritable machine à vapeur et le confirme sans doute comme l'inventeur de la machine à vapeur. Il a également breveté le régulateur centrifuge et le mouvement parallèle . ce dernier permettait le remplacement des chaînes autour d'une tête d'arc et permettait ainsi son utilisation comme moteur rotatif.

Ses brevets sont restés en place jusqu'au début du 19e siècle et certains disent que cela a freiné le développement. Cependant, en réalité, le développement avait été en cours par d'autres et à la fin de la période des brevets, il y avait eu une explosion d'idées nouvelles et d'améliorations. Les moteurs à faisceau de Watt ont été utilisés commercialement en beaucoup plus grand nombre et beaucoup ont continué à fonctionner pendant 100 ans ou plus.

Watt détenait des brevets sur des aspects clés de la conception de son moteur, mais son moteur rotatif était également limité par le brevet de James Pickard sur la manivelle simple. Le moteur à faisceau a été considérablement amélioré et agrandi dans les régions riches en étain et en cuivre du sud-ouest de l'Angleterre, ce qui a permis le drainage des mines profondes qui y existaient. Par conséquent, les moteurs à faisceau de Cornouailles sont devenus mondialement connus, car ils restent parmi les moteurs à faisceau les plus massifs jamais construits.

En raison du nombre de brevets sur diverses pièces des moteurs et des conséquences des violations de brevets, il existe des exemples de moteurs à poutre sans nom de fabricant sur aucune des pièces ( Hollycombe Steam Collection ).

Un petit moteur à poutre rotative, construit en 1870 par Thomas Horn sur une conception de James Watt . La manivelle est visible à l'avant, le volant est en partie caché par le moteur. (Initialement installé dans une usine d'eau à Ashford , maintenant opérationnel et conservé au Bredgar and Wormshill Light Railway .)
Machine à poutre par Thomas Horn Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia "Leonardo da Vinci" , Milan.

Dans un moteur à poutre rotative, le piston est monté verticalement et la tige de piston entraîne la poutre comme précédemment. Une bielle de l'autre extrémité de la poutre, plutôt que d'entraîner une tige de pompe, entraîne désormais un volant.

Les premiers moteurs Watt utilisaient le soleil et l'engrenage planétaire brevetés de Watt , plutôt qu'une simple manivelle, car l'utilisation de ce dernier était protégée par un brevet détenu par James Pickard . Une fois le brevet expiré, la manivelle simple a été utilisée universellement. Une fois le mouvement de rotation réalisé, une courroie d'entraînement pouvait être attachée à côté du volant. Cela transmettait la puissance à d'autres arbres d'entraînement et à partir de ces autres courroies pouvait alors être attachée pour alimenter une variété de machines statiques, par exemple des machines de battage, de meulage ou de fraisage.

Moteurs marins à faisceau

Les premiers navires à vapeur utilisaient des variantes du moteur à poutre rotative. Ces moteurs à vapeur marins - connus sous le nom de levier latéral, sauterelle , traverse ou `` poutre mobile '', entre autres - différaient tous des machines terrestres d'origine en plaçant le faisceau ou les poutres dans différentes positions pour prendre moins de place à bord du navire. .

Le mélange implique deux cylindres ou plus; la vapeur à basse pression provenant du premier cylindre à haute pression est transmise au deuxième cylindre où elle se dilate davantage et fournit plus d'entraînement. C'est l'effet composé; la vapeur résiduelle de celui-ci peut produire un travail supplémentaire si elle est ensuite passée dans un condenseur de la manière normale. La première expérience de compoundage a été menée par Jonathan Hornblower , qui a déposé un brevet en 1781. Son premier moteur a été installé à Tincroft Mine, Cornwall. Il avait deux cylindres - un diamètre de 21 pouces (0,53 m) avec une course de 6 pieds (1,8 m) et un diamètre de 27 pouces (0,69 m) avec une course de 8 pieds (2,4 m) - placés côte à côte à une extrémité. du faisceau. Les premiers moteurs ont montré peu de gain de performance: la pression de vapeur était trop faible, les tuyaux d'interconnexion étaient de petit diamètre et le condenseur inefficace. [1]

À cette époque, les lois de la thermodynamique n'étaient pas suffisamment comprises, en particulier le concept de zéro absolu . Des ingénieurs comme Arthur Woolf essayaient de s'attaquer à un problème d'ingénierie avec une compréhension imparfaite de la physique. En particulier, leur engrenage de soupape coupait à la mauvaise position dans la course, ne permettant pas un travail expansif dans le cylindre. Des moteurs composés avec succès Woolf ont été produits en 1814, pour la mine de cuivre Wheal Abraham et la mine d' étain Wheal Vor . [2]

William McNaught a breveté un moteur à faisceau composé en 1845. Sur un moteur à faisceau de la conception standard Boulton & Watt , il a placé un cylindre haute pression, du côté opposé de la poutre au monocylindre existant, où la pompe à eau était normalement installée. Cela a eu deux effets importants: il a réduit massivement la pression sur la poutre, et le tuyau de vapeur de raccordement, étant long, a agi comme un récepteur expansif - l'élément manquant dans la conception Woolf. [3] Cette modification pourrait être faite rétrospectivement et les moteurs ainsi modifiés ont été dits "McNaughted". Les avantages d'un moteur composé n'étaient pas significatifs à des pressions inférieures à 60 livres par pouce carré (410 kPa), mais se manifestaient à plus de 100 psi (690 kPa). [ citation nécessaire ]

Plaque de base et calorifugeage acajou, poutre moteur, British Engineerium , Brighton
  • Abbey Pumping Station (Leicester, Angleterre) - abrite quatre moteurs à poutre rotative composés Woolf construits par Gimson and Company , Leicester. [4]
  • Bolton Steam Museum (Bolton, Angleterre) - comprend plusieurs moteurs à poutre rotative utilisés à l'origine pour entraîner des moulins
  • Station de pompage Claymills (Burton-on-Trent, Staffordshire, Angleterre) - quatre moteurs de pompage à faisceau rotatifs composés de Woolf; cinq chaudières Lancashire; plus d'une trentaine de moteurs auxiliaires sur le site, dont la plus ancienne dynamo fonctionnant à vapeur du pays.
  • Coldharbour Mill (Uffculme, Devon) - 1867 Kittoe and Brotherhood beam engine plus Pollit & Wigzell 300 hp cross compound engine. À la vapeur, la plupart des jours fériés conduisent la course de corde, avec d'autres machines plus petites.
  • Pompe à poutre Coultershaw (West Sussex, Angleterre) - moteur à faisceau à eau préservé de 1782.
  • Station de pompage de Crofton (Great Bedwyn, Angleterre) - deux moteurs, dont le plus ancien moteur «Cornish» en état de marche, dans son emplacement d'origine, dans le monde (1812).
  • Crossness Pumping Station (Abbey Wood, Londres, Angleterre) - ensemble de quatre moteurs à poutre rotative: les plus grands exemples de travail encore en vie.
  • Dogdyke Engine (Tattershall, Lincolnshire) - moteur de drainage et roue de godet , week-ends d'été cuits à la vapeur.
  • Eastney Beam Engine House (Portsmouth, Angleterre) - contient deux moteurs à poutre rotative pour le pompage des eaux usées, datant de 1887.
  • Elsecar (Elsecar, South Yorkshire, Angleterre) - le seul moteur Newcomen survivant (dans le monde) à être resté dans son emplacement d'origine (1795).
  • Goulburn Waterworks (Goulburn, NSW, Australie) - Moteur Appleby Bros Beam (1883) 120 ch en état de fonctionnement toujours dans le bâtiment d'origine de la station de pompage.
  • Moteur à faisceau Grazebrook - Un grand Boulton & Watt de pompage conçu avec un alésage de 42 pouces (1,1 m) en exposition statique sur le rond-point de Dartmouth sur l' A38 (M) à Birmingham, en Angleterre.
  • Hollycombe Steam Collection (Liphook, Hampshire, Angleterre) - Un petit moteur à haricots rotatifs (environ 5 chevaux) datant d'environ 1850, utilisé pour alimenter des machines agricoles, avec une roue à eau attachée pour compléter la puissance.
  • Levant Mine and Beam Engine (Trewellard, Pendeen, Angleterre) - un moteur de faisceau de travail sur une propriété du National Trust à West Cornwall, Angleterre
  • Markfield Beam Engine (Tottenham, Londres, Angleterre) - un moteur rotatif composé.
  • Museum De Cruquius (Cruquius, Pays-Bas) - on pense que le moteur à huit faisceaux de Cruquius est le plus grand moteur à vapeur jamais construit
  • Newcomen Memorial Engine (Dartmouth, Devon) - datant d'environ 1725. Mécanisme hydraulique ajouté à des fins de démonstration.
  • Nottingham Industrial Museum (Nottingham, Angleterre) - La Steam Gallery contient un impressionnant Basford Beam Engine, l'un des deux moteurs construits en 1858 par RW Hawthorn à Newcastle upon Tyne. Il a été installé à la station de pompage de Basford pour soulever de l'eau à 34 m (110 pi) du grès en contrebas pour fournir de l'eau douce à la ville de Nottingham. Le moteur a été remplacé en 1965 et a été transporté dans la galerie Steam spécialement construite où il a été mis à feu pour la première fois en 1975.
  • Moteur Pinchbeck (Spalding, Lincolnshire) - moteur à châssis «A» conservé statiquement.
  • Poldark Mine (Trenear, Cornwall) - Moteur Harvey's of Hayle Cornish Beam de Bunny Tin Mine et plus tard Greensplat China Clay Pit datant d'environ 1850. Mécanisme hydraulique ajouté à des fins de démonstration. Le dernier à avoir travaillé commercialement à Cornwall jusqu'en décembre 1959, a déménagé à Poldark en 1972. [5]
  • Ryhope Engines Museum (Ryhope, Angleterre) - moteurs à deux faisceaux rotatifs; construit 1868.
  • Smethwick Engine (Smethwick, Birmingham, Angleterre) - plus ancienne machine à vapeur en état de marche au monde (1779).
  • Stretham Old Engine (Stretham, Cambridgeshire) - Moteur et roue à godets conservés statiquement.
  • Strumpshaw Steam Museum (Strumpshaw, Angleterre) - Comprend un ancien moteur à faisceau à air comprimé d'Addington.
  • Tees Cottage Pumping Station (Darlington, Angleterre) - un moteur rotatif à deux cylindres Woolf , conçu par Glenfield et Kennedy de Kilmarnock et construit par Teasdale Bros, sous T&C Hawksley , Civil Engineers, Londres.
  • Le moteur à faisceau rotatif Boulton et Watt (type soleil et planète) au National Museum of Scotland (1786). [6] [7] Travail occasionnel par pneumatique
  • Le moteur Newcomen de la mine de Caprington au National Museum of Scotland . Travail occasionnel sur la pneumatique.
  • Le Musée Henry Ford (Dearborn, Michigan, États-Unis) - Fairbottom Bobs , un moteur Newcomen des années 1760.
  • Le London Museum of Water & Steam (Brentford, Londres, Angleterre) - cinq moteurs `` Cornish '' (à l'emplacement d'origine) dont quatre sont opérationnels, ainsi que deux moteurs à poutre rotative opérationnels (dans le musée), dont le plus grand `` Cornish '' en état de marche moteur dans le monde avec un cylindre de 90 pouces (2286 mm).
  • The Western Springs Water Works (Auckland, Nouvelle-Zélande) - 1877 double moteur composé de Woolf. Dans son emplacement d'origine, restauré en état de fonctionnement avec le musée des transports et de la technologie construit autour de lui. La restauration de la station de pompage et du chalet d'origine des ingénieurs a reçu le prix du mérite 2009 décerné par l'UNESCO pour le programme de conservation du patrimoine culturel de l'Asie-Pacifique.

  • Boulton et Watt
  • Cataracte (moteur à faisceau)
  • Moteur de Cornouailles
  • Gimson et compagnie
  • Moteur homme
  • Machine à vapeur marine
  • Exploitation minière à Cornwall
  • Musée du patrimoine industriel de Prestongrange
  • Pumpjack
  • Moteur à poutre à six colonnes
  • Moteur stationnaire
  • Arthur Woolf

  1. ^ Hills (1989) , p. 147.
  2. ^ Hills (1989) , p. 153.
  3. ^ Hills (1989) , p. 157.
  4. ^ http://www.abbeypumpingstation.org
  5. ^ La fabrication de Wendron BA Fyfield-Shayler 1979
  6. ^ http://www.gracesguide.co.uk/Boulton_and_Watt Graces Guide
  7. ^ http://www.doorsopendays.org.uk/opendays/newsArticle.aspx?newsid=132

  • Hills, Richard L. (1989). Puissance de la vapeur . Cambridge University Press . ISBN 0-521-45834-X.

  • Crowley, TE (1982). Le Beam Engine . Édition Senecio. ISBN 0-906831-02-4.

  • Animation d'un moteur à faisceau Watt.
  • Le plus ancien moteur de mine à Cornwall .
  • Images d'archive des moteurs de la station de pompage d' Addington en juillet 1973, un an avant la mise hors service.
  • Moteur de poutre modèle de travail