Dimensionnement du moteur oscillant

Notre propos de ce jour va concerner les moteurs oscillants à simple ou double effet. Vous trouverez certainement dans la littérature que les cylindres oscillants ne supportent pas les pressions supérieures à 2 bar… que le moteur oscillant est le parent pauvre des moteurs à vapeur…

Les moteurs oscillants, un peu d'histoire : ici
Description du moteur oscillant : ici

Données process
Afin de dimensionner correctement notre moteur, nous devons définir les caractéristiques générales de la machine ou, données process. Nous avons besoin de quatre données; le diamètre du cylindre, la vitesse admissible de la vapeur, la fréquence de rotation du moteur et la pression de service de celui-ci.

1/ Le diamètre du cylindre que nous nommerons (DPI)

2/ Les vitesses admissibles à l’admission (VVA) et à l’échappement (VVE). Généralement, les vitesses à l’admission et à l’échappement sont les mêmes afin de faciliter le dimensionnement et d’obtenir un changement de sens de marche, mais il est fort possible, pour des moteurs tournants dans un seul sens de marche, de définir des diamètres d’admission et d’échappement différents l’un de l’autre.

La vitesse de la vapeur est exprimée en m/s et elle est le rapport du volume de vapeur véhiculé par la section de passage.

V = Q/S

Les vitesses raisonnables vont de :

- 25 à 30 m/s pour l’alimentation en vapeur humide.
- 30 à 60 m/s pour l’alimentation en vapeur surchauffée et pour les turbines.
- 15 à 20 m/s pour l’échappement.

Mais ces valeurs doivent être considérées comme maximales au-delà desquelles bruit et érosion interviennent. Il ne faut pas non plus augmenter exagérément le diamètre de passage car, la vapeur séjournant plus longtemps dans le tube aura pour effet, des pertes thermiques.

3/ Nous devons également donner une vitesse de rotation du moteur ou fréquence de rotation (FRM) exprimée en tr/mn. Cette fréquence de rotation dépendra du modèle que vous désirez entreprendre, un moteur entraînant des roues à aubes d’un bateau tournera à une fréquence de rotation de l’ordre de 120 tours par minutes, par contre pour un  bateau à hélice, le moteur aura une fréquence de rotation de l’ordre de 800 à 1200 tours par minute.

Pour une locomotive, la fréquence de rotation du moteur dépendra de la méthode d’entraînement des essieux ;

- Soit vous êtes en prise directe et la fréquence de rotation sera égale au rapport de la vitesse réelle de la locomotive par l’échelle de votre modèle. Par exemple, pour une locomotive ayant une vitesse de 85 km/h, votre modèle au 1/22e aura une vitesse de 3.8 km/h, en connaissant le diamètre de vos roues, vous pouvez en déduire la fréquence de rotation du moteur. Par exemple, avec des roues de diamètre 36mm, nous aurons une fréquence de rotation du moteur de 560 tours par minute.

- Soit vous intercalez un jeu d’engrenages entre votre essieu et votre moteur et vous aurez en plus à tenir compte du rapport du jeu d’engrenages.

4/ La pression manométrique (PMA) avec laquelle vous voulez travailler, nous avons vu que la pression maximum admissible pour un moteur oscillant est de l’ordre de 4 bar en moyenne et en fonction toujours de votre modèle, nous tournerons autour des 2 ou 3 bar manométrique.

Nous avons donc jusqu'a présent :

DPI = diamètre du cylindre.
VVA = vitesse vapeur à l’admission.
VVE = vitesse vapeur à l’échappement.
FRM = Fréquence de rotation.
PMA = pression manométrique ou effective.

Dimensionnement du moteur :
A/ Course du piston

Pour un moteur simple effet la course pourra être égale à :

CPI = 2,25 x CPI

Pour un double effet la course pourra être égale à :

CPI = 1,8 x CPI

B/ Diamètre d'admission vapeur

Nous voyons trop souvent des moteurs ayant des diamètres d'admission vapeur de l'ordre de 2,5 mm, il y a lieu d'optimiser ce diamètre, car, plus il sera grand, plus la force exercée par la vapeur tendra à écarter le cylindre de la glace, donc fuites...

Nous savons par expérience, que la meilleure section des lumières est obtenue lorsque la vitesse de la vapeur, à travers les canaux, ne dépasse pas 25 m/s à l’émission. Le volume de vapeur qui passe à travers la lumière, pendant une seconde, est égal au volume engendré par le piston pendant le même temps. La section des lumières dépend donc de la section du piston.

En théorie :
Soit Sl la section de la lumière ; 25 m/s étant la vitesse de la vapeur, le volume passant par seconde à travers la lumière sera :

Sl * 25

Soit Sp la section du piston et Vp sa vitesse. Le volume dépensé par le piston par seconde sera :

Sp * Vp

Le volume reçu étant égal au volume dépensé :

Sl * 25 = Sp * Vp

Sl = (Sp * Vp) / 25

En pratique :

La vitesse du piston sera égale à :

VPIS = 2*CPI*FRM/60 (mm/s)

La section du piston sera égale à :

SPIS = DPI2/4*PI

La section de passage est égale à la section du piston multipliée par la vitesse de celui-ci et divisée par la vitesse admissible de la vapeur (VVA).

SADM = SPIS*VPIS/VVA/1000 (mm2)

Le diamètre d’admission vapeur :

DAGM = (SAGM*4/PI)^(1/2) (mm)

C/ Diamètre perçage sur cylindre :

DPC = DAGM*1,25 (mm)

D/ L’entre axes de perçage des lumières d’admission :

PAE = (DPC+DAGM)*1.2 (mm)

E/ Longueur du piston :

Dans le cas d’un cylindre à simple effet, c’est le piston qui entraîne le cylindre dans son oscillation, par contre dans un cylindre à double effet, le palier inférieur contribue au mouvement, de ce fait nous aurons une longueur de piston différente suivant le type.

Pour un moteur simple effet :

LGP =  DPI*1,75 (mm)

Pour un moteur double effet :

LGP = DPI*1,2 (mm)

F/ Entre axes articulation perçage admission :

Pour un moteur simple effet :

EAR = LGP/2 (mm)

Pour un moteur double effet :

EAR = LGP*1,25 (mm)

Nous allons calculer l’entre axes oscillation du cylindre, axe bielle. Pour cela nous avons besoin d’un calcul intermédiaire du demi angle d'oscillation (TAL°)

TAL = ARCTANG( PAE /(EAR*2)) (°)

Entre axe oscillation, maneton :

EBR = CPI/SIN(TAL*2)

G/ Longueur utile du cylindre :

LCY = LGP+CPI LCY

H/ Longueur totale cylindre

Pour un moteur simple effet :

LTC = LCY+4.5

( 4.5 étant égal à 1 x 4 mm du chapeau supérieur et 1 x 0.5 mm de jeu )

Pour un moteur double effet :

LTC = LCY+9

( 9 étant égal à 2 x 4 mm du chapeau supérieur et palier inférieuur, et 2 x 0.5 mm de jeu )

I/ Longueur articulation bielle/ extérieur piston

 LBP = EBR+EAR-CPI/2

Voici le schéma de principe de cotation pour un moteur simple effet :

 

 

 Voici un fichier permettant de calculer votre moteur : ici