Moteurs Corliss George Henry Corliss, Est Un Ingénieur Américain
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Moteurs Corliss George Henry Corliss, est un ingénieur américain. George Corliss fit ses études à Greenwich, dans l'État de New York, avant d'être employé par une usine de filature et de tissage de coton. Les filatures avaient à résoudre les incessants problèmes de régularité de fourniture de l'énergie mécanique, et les machines de l'époque y répondaient fort mal. Ce n'est qu'après 1840 que Corliss développa ses propres idées après avoir repris son indépendance. Ce fut un ingénieur et un inventeur assez doué car, outre le moteur qui porte son nom, il inventa un précurseur de la machine à coudre, des scies, des chaudières et des pompes. Le premier brevet sur la distribution Corliss fut déposé le 10 mars 1849. Il fonda la « Corliss steam-engine » en 1856, et reçut des prix aux expositions universelles de Paris (1867) et de Vienne (1873) ainsi que le prix Rumford en 1869. PL/03/01/15 1/36 En 1875, il dessina la machine qui porte son nom, la plus grande et la plus puissante du monde à l'époque, qui incarne encore aujourd'hui la révolution industrielle et l'avancée technologique des États-Unis. C'était une commande spéciale pour la Centennial Exposition à Philadelphie1 en 1876. Ayant bénéficié d'un budget de construction de 100 000 dollars de l'époque (soit environ 2,5 millions de $ de 2015), cette machine bicylindre côte à côte, d'un poids de 700 tonnes, fournissait 1400 chevaux-vapeur et via plus de 1600m de lignes d'arbres primaires assurait toute la puissance mécanique de l'exposition. Elle avait des cylindres de près de 1,10m de diamètre et d'une course de 3m. La hauteur totale était de 14m, le volant d'inertie mesurait 9,10m de diamètre. Le sculpteur français Auguste Bartholdi, père de la statue de la Liberté à l'entrée du port de New York, a dit de cette machine qu'elle relevait des Beaux-Arts. Elle fut démantelée après la foire puis réinstallée en 1903 dans une usine de Chicago pour être finalement vendue et ferraillée vers 1910, victime de pénétration fulgurante de l'électricité comme force motrice dans l'industrie. Sources documentaires Les ouvrages cités sont libres de droits. Au moment de la rédaction ils étaient téléchargeables depuis archive.org F.W Jr Shillitto, Handbook of Corliss Steam engine, The American Industrial Publishing 1899 Petit mémento sans prétention centré sur l'installation et le réglage des moteurs Corliss. Hubert.E.Collins, Valve settings, McGraw-Hill 1908 p53 et suivantes Un livre de référence pratique sur le réglage des valves Ouvrages utiles originellement destinés aux techniciens d'exploitation L'incontournable série des 8 volumes de la collection Modern Engineering Practices. Les infos qui nous intéressent se trouvent dans Frank.D.Graham, Audel's Engineers and Mechanics guide n°2, Théo Audel 1921, p463 à 574 Penser aussi à la fameuse collection de référence de Terell Croft comprenant 5 ouvrages Terell Croft, Steam engines and Principle, McGraw Hill 1939 (première édition vers 1920), p146 et suivantes Ces deux ouvrages font partie de toute bonne bibliothèque sur la vapeur car ils sont très complets, assez précis et ne font pas appel à un bagage technique ni scientifique très étoffé. A vocation didactique, ils étaient destinés à ce que nous nommerions aujourd'hui les techniciens supérieurs d'exploitation. D'autres ouvages intéressants W.E Dalby, Valves ans valves gear mechanisms, Edward Arnold 1906, p 106 Semi encyclopédique et orienté théorie. Quelques éléments sur le Corliss Franklin DeRonde Furman, Valves et valves Gears, John Wiley & sons, 1915, p107 et suivantes clairement destiné aux concepteurs, section importante sur les méthodes graphiques et sur le Corliss 1 Centenaire de l'Indépendance américaine PL/03/01/15 2/36 Header & Powles, Handbook of the steam engine, Crosby Lockwood ans sons 1902 Encyclopédie technique très détaillée sur les moteurs à vapeur avec un nombre impressionnant de schémas, de coupes, de tableaux, ouvrage vraisemblablement destiné aux bureaux d'études. Bible technologique pour les modélistes amateurs qui souhaitent produire un modèle proche des solutions mécaniques de l'époque. Hawkins , Nehemiah New Catechism of the Steam Engine, New York City: Theo Audel 1904 Ouvrage de portée générale plus orienté vulgarisation technique. Beaucoup d'informations cependant et un catalogue avec de nombreuses gravures de belle qualité sur les moteurs fin XIXème-début Xxème. Distribution Corliss Les moteurs à distribution Corliss sont caractérisés par des valves d'admission et d'échappement séparées. Ce sont des valves rotatives à boisseau. Les paramètres de fonctionnement sont réglables séparément et sur les modèles plus tardifs le calage des valves est automatique, couplé au régulateur de vitesse assurant un fonctionnement proche de l'optimum. Les moteurs Corliss pouvaient être mono ou multicylindres, montés en tandem, compound ou non selon les besoins, à balancier ou pas. Les machines Corliss ont longtemps surpassé les autres types de moteurs à vapeur non seulement en efficacité énergétique, mais aussi en régularité et en souplesse de fonctionnement. D'ailleurs, au moins aux débuts, Corliss investissait dans la machine et se rémunérait sur les économies de combustibles, d'eau, etc. qui atteignaient couramment 30% des consommations des autres moteurs. Les machines Corliss ne furent dépassées en rendement que vers la fin du XIXème siècle par les moteurs Uniflow à soupapes, puis par les turbines à vapeur multiétagées. Cette incroyable avancée technologique, eut plusieurs conséquences : • leur économie de fonctionnement alliée à une maintenance réduite assuraient une production continue tout au long des saisons. Cela les rendaient plus rentables que l'énergie hydraulique, déplaçant ainsi de nombreuses industries à proximité des centres de besoins et des grands moyens de transport, • les qualités de régulation en faisaient les machines idéales pour l'énergie motrice dans les usines de production électrique, mais aussi dans de nombreuses usines, depuis les filatures, les distilleries jusqu'aux énormes machines minières de ventilation et de concassage. Les avantages des distributions Corliss sont : 1. adaptées aux moteurs nécessitant de très faibles volumes morts entre le PMH du piston et la culasse. Les boisseaux rotatifs sont très compacts et ont un mouvement limité 2. adaptées lorsqu'une ouverture rapide et une coupure d'admission très rapide sont demandées 3. de part leur très faible mouvement et une lubrification aisée, les pertes par frottement mécaniques des valves boisseaux sont réduits et leur usure n'a rien de comparable à celle des tiroirs. 4. Les événements de distribution : admission, coupure d'admission, échappement, recompression des résidus d'échappement, sont tous réglables indépendamment 5. l'admission et l'échappement sont séparés et assurent un découplage thermique favorable au rendement 6. les mécanismes à déclencheurs et le couplage au régulateur de vitesse garantissent une régulation fine de fonctionnement en continu PL/03/01/15 3/36 7. permet le suivi rapide de la demande de puissance mécanique car le moteur, fonctionnant à vitesse quasi constante, la variation de couple2 est instantanée Vue d'une distribution Corliss 2 La puissance est le produit du couple moteur par la vitesse de rotation. Le couple est l'effort exercé sur une manivelle multiplié par la distance à l'axe de rotation, comme par exemple une pédale de bicyclette PL/03/01/15 4/36 Les inconvénients marquants étaient : 1. un surcoût de fabrication sensible dû à la complexité mécanique de la distribution 2. une vitesse de rotation limitée (de 100 à 150 trs/mn) qui devient rapidement contraignante dans des applications comme la production électrique 3. des équipes d'exploitation formées et attentives pour le démarrage, l'entretien et les mises au point. Le démarrage était particulièrement périlleux si des condensats formaient un piston liquide propre à briser de nombreuses pièces vitales car les liquides sont incompressibles. Ces moteurs étaient équipés d'un dispositif de « dévirage » composé d'un petit moteur auxiliaire à vapeur actionnant une vis sans fin engrenée sur le volant d'inertie. Le moteur Corliss était mis en rotation à quelques tours par minutes et balayé avec de la vapeur basse pression vers 2 à 3 bars jusqu'à complet réchauffage et évacuation des condensats. Principe de fonctionnement simplifié Somme toute, le moteur Corliss est de facture assez classique comme le laisse entrevoir la vue de dessus. Mais cela change lorsqu'on s'intéresse à la distribution. Comme dans tous les moteurs, la commande primaire est actionnée par excentrique. Les mouvements des vannes boisseaux sont synchronisés via le plateau oscillant (wrist plate) mis en mouvement par la bielle d'excentrique. Mais en plus des réglages d'origine, une correction est effectuée continuement par la liaison au régulateur à boules. Des amortisseurs à pots (dash pot) viennent éliminer les rebonds d'enclenchement-déclenchement nuisibles au fonctionnement fin de l'ensemble. Les évolutions amenèrent la conception et la réalisation de systèmes à déclencheurs réglables qui augmentaient la vitesse et la précision des événements de distribution. Les variantes ont été très nombreuses. Un grand nombre sont illustrées dans les ouvrages cités. PL/03/01/15 5/36 PL/03/01/15 8/36 Les distributions étaient classées en deux grandes familles selon le sens de rotation à l'ouverture : • valve ouverte en allant vers le piston (sens horaire) • valve ouverte en fuyant le piston (sens antihoraire) PL/03/01/15 9/36 Principe de réglage des distributions à un seul excentrique Les gros moteurs disposaient souvent de deux excentriques pour affiner séparément les réglages d'admission et d'échappement. Une fois les alignements mécaniques réalisés et vérifiés, le réglage s'effectuait dans l'ordre qui suit. Exemple de réglage par cale oblique. Ce système permet de rattraper les jeux d'usure 1. Calage d'excentrique, égalisation des mouvements du bras intermédiaire oscillant.