Une locomotive à vapeur est une chaudière sur roues, avec une machine fixée sur le côté. Rien n'y est mystérieux, et les nombres sont assez petits pour être calculés à la main. Cet article suit l'énergie de la pelle jusqu'au rail, puis chiffre la traction à la fin.
Du charbon à la vapeur
Le charbon brûle sur une grille dans la boîte à feu. The hot gases do not go straight up the chimney. They are drawn forward through the boiler in many narrow tubes à fumée, qui traversent l'eau. De nombreux tubes donnent aux gaz une surface bien plus grande pour céder leur chaleur qu'un seul conduit large.
L'eau bout et la vapeur se rassemble dans un dôme au sommet de la chaudière, sous pression. Les pressions de service typiques des locomotives à vapeur plus tardives étaient d'environ 200 psi (environ 14 bar), et certaines allaient plus haut. La pression est la partie utile : c'est elle qui pousse sur le piston.
Beaucoup de moteurs font ensuite passer la vapeur dans un surchauffeur, un faisceau de tuyaux à l'intérieur des tubes à fumée plus gros. La surchauffe élève la vapeur bien au-dessus de son point d'ébullition à cette pression, ce qui la rend sèche. La vapeur sèche ne se condense pas dans les cylindres, où l'eau gaspillerait la chaleur et pourrait endommager le moteur, et elle fournit plus de travail par kilogramme d'eau.
Cylindres, bielles et roues
Une distribution admet la vapeur dans un cylindre et pousse le piston le long de celui-ci. La tige de piston et la bielle transmettent cette poussée à un maneton sur la roue motrice, qui la fait tourner. La rotation de la roue ramène le piston en arrière.
Les cylindres des locomotives à vapeur sont à double effet. Steam is let in on one side of the piston for the push out, and on the other side for the push back. That gives two power strokes per cylinder for every turn of the wheel. A conventional locomotive has two cylinders, one on each side, with their cranks set a quarter of a turn apart so the engine can always start from rest. So:
2 cylindres × 2 temps chacun = 4 temps moteurs par tour de roue
C'est l'origine des quatre chuffs par tour de roue entendus sur une machine à deux cylindres. À une allure régulière d'un tour de roues motrices par seconde, cela fait quatre chuffs par seconde.
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L'échappement qui alimente le feu
Après chaque course, la vapeur usée quitte le cylindre et monte à la cheminée par une tuyère d'échappement. The jet of exhaust pulls gas out of the smokebox with it, which lowers the pressure there and draws air through the fire tubes and in through the firebox grate. This is the sharp bark of the exhaust, and it has a useful feature: the harder the engine works, the more steam it exhausts, and the harder the fire is drawn. The draught rises with the demand, without anyone touching a control.
Quelle force peut-elle tirer ?
La règle empirique standard pour une locomotive à deux cylindres est :
effort de traction = 0.85 × P × d² × s ÷ D
où P est la pression de la chaudière en psi, d le diamètre du cylindre en pouces, s la course du piston en pouces, et D le diamètre des roues motrices en pouces. Le résultat est en livres-force (lbf). Le 0.85 est une marge conventionnelle pour le fait que les cylindres ne sont pas remplis à pleine pression de chaudière pendant toute la course. C'est une estimation, pas une mesure.
Prenons une machine illustrative : pression de chaudière de 200 psi, deux cylindres de 20 pouces de diamètre avec une course de 26 pouces, et des roues motrices de 68 pouces.
| Étape | Valeur |
|---|---|
| 0.85 × 200 | 170 |
| d² = 20 × 20 | 400 |
| 170 × 400 × 26 | 1,768,000 |
| ÷ 68 | 26,000 lbf |
| En kilonewtons (× 4.448) | environ 115.7 kN |
La formule montre comment la conception échange la force contre la vitesse. Un cylindre plus grand, une course plus longue ou plus de pression augmentent la traction. Une roue plus grande la réduit, car la même poussée agit sur un levier plus long. Un tour d'une roue de 68 pouces fait avancer la machine de π × 68 pouces, soit environ 5.43 m : une grande roue couvre plus de terrain à chaque course et convient aux trains rapides. Une petite roue donne plus de traction et convient aux lourdes marchandises.
Savoir si la machine peut utiliser toute cette force est une autre question. Comme l'explique l'article sur pourquoi les chemins de fer suivent les rivières explique que l'adhérence entre roue et rail limite ce que toute locomotive peut tirer, quelle que soit la force de ses cylindres.
Une locomotive à vapeur est un convertisseur d'énergie médiocre. En général, moins d'environ 10 % de la chaleur du charbon se retrouve en travail aux roues. La plus grande partie s'échappe sous forme de gaz chauds par la cheminée, de vapeur d'échappement et de chaleur perdue par la chaudière.
Pourquoi le rendement reste faible
La vapeur d'échappement est encore chaude et emporte une grande partie de la chaleur qui a été transmise à l'eau. Une locomotive ne peut pas la récupérer, car c'est aussi l'échappement qui crée le tirage. La surchauffe et de meilleures distributions ont amélioré les choses, mais sous 10 % restait la plage habituelle.
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