tuyère d'échappement

Une tuyère d'échappement est un tube conique en fonte monté à l'intérieur de la boîte à fumée d'une locomotive à vapeur, positionné directement sous la cheminée. Elle reçoit la vapeur d'échappement des cylindres à des pressions comprises entre 140 et 180 psi, la déchargeant sous forme de jet à grande vitesse vers le haut dans la cheminée. Cela crée un vide partiel dans la boîte à fumée, aspirant les gaz de combustion du foyer à travers les tubes de la chaudière plus rapidement que ne le permettrait la convection naturelle seule. Le résultat est un tirage plus fort, un feu plus chaud et une production de vapeur accrue, transformant ce qui serait autrement un échappement perdu en une force motrice productive.

La conception physique est simple mais critique. La vapeur entre dans la tuyère d'échappement par deux ou quatre tuyaux de dérivation connectés au port d'échappement de chaque cylindre. Le tuyau se rétrécit d'environ 4 à 5 pouces de diamètre à l'entrée à 2 à 3 pouces à la buse de décharge, concentrant le flux. La buse fait saillie dans la boîte à fumée, parfois légèrement évasée, avec un jeu de 1 à 2 pouces sous l'ouverture de la cheminée. Les locomotives plus anciennes utilisaient des buses fixes ; les conceptions ultérieures intégraient des buses réglables ou des jets multiples pour permettre aux équipes de la cabine d'ajuster l'intensité du tirage sans arrêter la machine.

La performance de la tuyère d'échappement est indissociable de la conception du foyer et de la chaudière. Une locomotive avec une buse de tuyère d'échappement trop grande créera un tirage faible et une mauvaise efficacité énergétique ; une trop petite générera une contre-pression excessive dans les cylindres, gaspillant de la puissance et surchauffant les ports d'échappement. L'équilibre dépend de la surface de chauffe de la chaudière, de la taille de la grille et de la charge prévue. Les concepteurs calculent le diamètre de la buse empiriquement ou par essais, sachant qu'un changement de 10 % de la surface de la buse peut modifier la consommation de carburant de 15 à 20 %.

Les points de défaillance courants incluent l'érosion de la buse en fonte due au jet de vapeur à grande vitesse, entraînant un élargissement et un affaiblissement du tirage au fil du temps. La fissuration se produit lorsque la contrainte thermique dépasse la résistance de la pièce moulée, en particulier dans les alliages de fer plus anciens. L'entraînement d'humidité des cylindres peut provoquer une évaporation éclair explosive à la sortie de la buse, endommageant les surfaces internes. Le tartre et la rouille à l'intérieur des tubes de la tuyère d'échappement restreignent le flux et doivent être nettoyés chimiquement ou mécaniquement lors de la révision.

La tuyère d'échappement n'a pas été inventée par une seule personne mais a évolué progressivement dans les années 1830 et 1840, devenant standard dans les années 1850. Les premiers ingénieurs ont découvert que la décharge de la vapeur d'échappement par la cheminée intensifiait l'effet de tirage bien plus qu'une simple ventilation latérale. Le terme provient du jet puissant de vapeur, qui est à la fois sa fonction et son caractère. Dans la cabine, le rugissement de la tuyère d'échappement est audible même au-dessus du cliquetis des cylindres, et le comportement de son panache de fumée indique aux membres d'équipage expérimentés si le feu tire correctement.