Machine à vapeur

La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent du XVIII^e siècle. C'est un moteur thermique à combustion externe. Il transforme l'énergie thermique que possède la vapeur d'eau fournie par une ou des chaudières en énergie mécanique.

Comme première source d'énergie mécanique constructible et maîtrisable par l'Homme (contrairement à l'énergie de l'eau, des marées ou du vent, qui nécessitent des sites spéciaux et que l'on ne peut actionner facilement à la demande), elle a eu une importance majeure lors de la Révolution industrielle. Mais au XX^e siècle, la machine à vapeur « alternative » a été supplantée par la turbine à vapeur. Le moteur électrique et le moteur à combustion interne l'ont aussi remplacée dans la mise à disposition d'énergie mécanique.

Maquette recto se trouvant au Bois du Cazier

Maquette verso se trouvant au Bois du Cazier

Machine à vapeur : le mouvement de la biellette qui relie le régulateur centrifuge au papillon d'admission de vapeur est montré ici en mouvement continu. Dans la réalité, la biellette n'est activée que lorsque la machine accélère ou ralentit.

Histoire

L'Éolipyle d'Héron d'Alexandrie

À Pékin en 1672, le tout premier prototype d'un véhicule mû par la vapeur, dessiné par le jésuite en mission Ferdinand Verbiest.

Les premiers travaux sur la vapeur d'eau et son utilisation remontent à l'Antiquité : Héron d'Alexandrie conçut et construisit au siècle qui, bien que considérée comme un jouet du fait de sa faible puissance, n'en était pas moins un moteur à vapeur, à réaction.

En 1543, dans le port de Barcelone, un navigateur et inventeur espagnol, Blasco de Garay fit sous les yeux de nombreux hauts personnages, dont Charles Quint, la démonstration d'un bateau mû par la vapeur d'un chaudron et des roues à aubes, mais il semble que ses nombreuses inventions n'ont pas eu de suite. Comme il a gardé secret son procédé, on ne connaît pas le mécanisme exact de son fonctionnement.

Il fallut attendre le XVII^e siècle pour que réapparaisse l'idée d'utiliser la puissance de la vapeur d'eau. En 1601, Giambattista della Porta, puis en 1615, Salomon de Caus, décrivent une pompe capable de chasser l'eau d'un récipient. En 1629, Giovanni Branca suggère l'idée de moulins mus par la vapeur et, l'année suivante, David Ramseye obtient un brevet pour une pompe mue par un moteur à feu. En 1663 Edward Somerset améliore le projet de Caus en équipant la chambre à vapeur d'un refroidisseur, il construit un modèle de grande taille, mais meurt avant d'avoir pu appliquer pratiquement sa création.

En 1668, le jésuite flamand Ferdinand Verbiest décrit dans son livre le premier véhicule terrestre mû par un jet de vapeur et une roue à aubes.

En 1698, Thomas Savery dépose un brevet sur une pompe destinée à l'exploitation minière, fonctionnant à la vapeur, directement inspirée des travaux de Edward Somerset. Par la suite, il la perfectionne en collaboration avec Thomas Newcomen, grâce, entre autres, aux travaux du Français Denis Papin. Ce dernier, après avoir inventé un prototype d'autocuiseur, avait eu l'idée du piston, donnant ainsi accès à des puissances insoupçonnées jusqu'alors. Un premier modèle commercial fut utilisé dès 1712 dans les mines de charbon, près de Dudley, dans le centre de l'Angleterre. Ces pompes fonctionnaient en produisant un vide dans une chambre fermée où l'on fait se condenser de la vapeur, grâce à un jet d'eau. Les vannes d'admission et d'échappement, d'abord à commande manuelle, sont automatisées par Henry Beighton, en 1718. Ces pompes deviennent rapidement courantes dans toutes les mines humides de l'Europe. Elles restent cependant très coûteuses à l'emploi, car le cylindre doit être réchauffé avant chaque admission de vapeur.

James Watt.

Machine à vapeur de Watt.

L'Écossais James Watt (1736-1819) répare un moteur Newcomen en 1763 : il cherche alors des idées d'amélioration pour en augmenter l'efficacité. Ses réflexions débouchent en 1765 sur l'idée d'une chambre de condensation pour la vapeur séparée par une valve, idée sur laquelle il dépose un brevet en 1769. Il commence alors à produire des moteurs améliorés avec le financement de Matthew Boulton.

Il continue en parallèle à chercher des idées sur et autour de son invention. En 1781 il met au point le système mécanique permettant de créer un mouvement de rotation à partir du mouvement rectiligne du piston, ce qui lui permet ensuite de concevoir le cylindre à double action où la vapeur entraîne le piston, lors de sa montée et de sa descente. La puissance de la machine en est fortement augmentée.

Il formalise aussi une utilisation possible en 1784 en déposant un brevet sur une locomotive à vapeur, invente un indicateur de pression de la vapeur dans le cylindre, et, en 1788, une valve de puissance sur laquelle il utilise ensuite l'idée de Boulton d'employer un régulateur centrifuge pour rendre la vitesse constante indépendamment des variations de la production de vapeur et des sollicitations de puissance en sortie. Il introduit aussi une nouvelle unité de mesure de la puissance, le cheval vapeur.

Certains lui reprochent d'avoir freiné le développement des systèmes à haute pression fonctionnant par l'expansion de la vapeur auxquels il ne croyait pas, mais prônés par d'autres inventeurs comme Jonathan Hornblower, qui durent attendre l'expiration des brevets en 1800, après leur prolongation en 1782. Ce dernier mit au point, en 1781, un double cylindre combiné où la vapeur passe d'abord dans un cylindre dans lequel elle pousse le piston avant de passer dans un cylindre fonctionnant selon le principe de la condensation qui équivaut à un système à double action. Mais son invention reste expérimentale, sans application possible du fait des brevets de Watt, et il faut attendre 1803 et Arthur Woolf pour la voir émerger enfin. Combiné à un nouveau type de condenseur conçu par Edmund Cartwright qui enveloppe le cylindre et l'apparition des chaudières produisant de la vapeur à haute pression, cela va permettre la fabrication de machines compactes et puissantes, nécessaires à une utilisation mobile.

Principe et fonctionnement

Par l'intermédiaire d'un système de tiroir de distribution, ouvrant et fermant des lumières, la vapeur d'eau sous pression est envoyée à une extrémité d'un cylindre, où elle pousse un piston. Ce dernier entraîne la bielle qui est articulée dessus et fixée sur le volant d'inertie en un point excentré de son axe de rotation. Son mouvement provoque donc une rotation du volant.

Tiroir à vapeur

Du volant repart une biellette commandant le tiroir d'admission et d'échappement. Quand le piston arrive au bout du cylindre, la biellette repousse le tiroir :

• Dans le cas du cylindre simple effet, le tiroir referme la lumière d'entrée de la vapeur et du même côté ouvre une autre lumière pour laisser s'échapper la vapeur contenue dans le cylindre. Le volant, par l'énergie cinétique accumulée, continue de tourner, repoussant ainsi le piston au point de départ.
• Dans un cylindre à double effet, le tiroir ouvre, en plus, une lumière d'admission pour la vapeur de l'autre côté, elle repousse le piston qui continue sa poussée sur le volant.

Sur ce volant, on place une courroie établissant une liaison élastique avec la poulie d'entrée d'une machine transformant ce mouvement en un travail spécifique. Pour être utilisable industriellement, cette énergie doit le plus souvent être régulée, afin que la vitesse de rotation ne dépende ni des aléas de la chauffe, ni surtout de la sollicitation de puissance en sortie. C'est là qu'intervient le régulateur centrifuge mis au point par Watt, qui agit directement sur la vanne par laquelle la vapeur arrive de la chaudière.

Centrale électrique de l'Usine des Forges de Montataire au début du XX^e siècle : au fond, la machine à vapeur, qui entraîne, par l’intermédiaire du volant d'inertie, une dynamo (à droite)

Technologie et raffinements

Avec la généralisation de son emploi, la machine à vapeur va connaître toute une série de perfectionnements destinés à améliorer son efficacité et sa puissance, en utilisant les pressions de plus en plus importantes fournies par les chaudières.

Double action

La double action inventée par Watt devient d'emploi général, elle permet un gros gain de puissance en éliminant la phase où le piston se comporte comme un frein, celui-ci est alors moteur à l'aller et au retour. Sur les moteurs fonctionnant par l'expansion de la vapeur, il est poussé alternativement par les deux chambres d'expansion qu'il délimite. Le système d'alimentation à tiroir a alors pour rôle de déclencher soit l'alimentation, soit l'échappement pour les deux chambres.

Description du fonctionnement

L'arrivée et l'échappement de la vapeur des deux côtés du cylindre est réglée par le tiroir de distribution (6). Le piston est relié à la crosse qui, par l'intermédiaire de la bielle motrice, transforme le mouvement de va-et-vient en mouvement circulaire. Ce mouvement est transmis à toutes les roues motrices grâce aux bielles d'accouplement. Le réglage du tiroir de distribution pour inverser la marche s'effectue au moyen du volant de commande de la vis de changement de marche (8) qui se trouve dans la cabine de conduite.

Travail de la distribution (modèle de distribution Walschaerts)

C'est par le tiroir (6) que la vapeur est admise dans le cylindre (7) et agit alternativement sur chacune des faces du piston. La tige de piston actionne la bielle couplée au train de roues motrices par l'intermédiaire de la crosse articulée (5). Les roues couplées deviennent toutes motrices.

Par l'intermédiaire de la contre-manivelle (2) calée à 90° de la manivelle motrice, une bielle fait osciller la coulisse (1) de distribution dans laquelle glisse la bielle de commande de tiroir (3). Couplée au levier d'avance (4), le déplacement de la bielle sur la coulisse permet de régler le décalage entre les déplacements du tiroir et ceux du piston. On peut ainsi régler le rapport puissance/vitesse du moteur et également changer de sens.

Expansion multiple

Animation simplifiée d'un moteur à triple expansion.

Au cours du XIX^e siècle, la pression disponible à la sortie des chaudières augmentant, on finit par utiliser plusieurs cylindres de taille croissante, où la vapeur passe successivement au fur et à mesure de sa détente. On vit ainsi d'abord les machines à double expansion comme les locomotives compound, puis celles à triple expansion comportant respectivement deux et trois cylindres dénommés cylindre à haute, moyenne et basse pression.

Les deux ou trois cylindres entraînaient un arbre moteur commun ; une variante comportait deux cylindres à basse pression, les quatre cylindres étant alors arrangés dans une configuration en V.

Cette technologie fut particulièrement importante dans les applications navales et ferroviaires, car elle permettait de réutiliser l'essentiel de l'eau contenue dans la vapeur, évitant d'avoir à emporter de grandes réserves d'eau, comme les réservoirs qui existaient sur les installations fixes. L'expansion multiple permit une amélioration significative du rendement des moteurs à vapeur, et de l'autonomie des navires utilisant cette technologie.

Chaudière tubulaire

Inventée par Charles Dallery vers 1780. Dans la chaudière tubulaire Charles Dallery, des tubes pleins d’eau sont chauffés extérieurement, au lieu de l’être intérieurement suivant la disposition retenue par Marc Seguin en 1824 dans laquelle les gaz brûlants circulent dans des tubes traversant la chaudière, multipliant ainsi par six la puissance du moteur. La chaudière tubulaire de Marc Seguin, conçue à l'origine pour équiper un bateau de halage sur le Rhône, trouve sa première application pratique sur la locomotive à vapeur qu'il utilisa sur le chemin de fer de Saint-Étienne à Lyon.

Flot unique (uniflow)

Inventé par Jacob Perkins en 1827, ce modèle se caractérise par l'emploi de soupapes et d'arbre à cames, tout comme les moteurs à explosion, pour la circulation de vapeur : il présente l'avantage d'éviter de faire passer la vapeur chaude et celle détendue par le même emplacement, et aussi d'être plus économe en vapeur.

Ayant une lumière d'échappement en fin de course, le fonctionnement du piston uniflow doit recompresser la vapeur résiduelle du cylindre, avec une perte correspondant au défaut de réversibilité. De plus, la recompression de la vapeur résiduelle fait restriction à l'écoulement initial de vapeur dans le cylindre, alors que le troncage de la course au point bas raccourci le cycle de détente. Il est intéressant de noter que le nouveau concept moteur Quasiturbine permet un écoulement uniflow sans ces inconvénients.

Type rotatif

C'est une variante issue des recherches récentes sur la Quasiturbine.

Injecteur Giffard

Injecteur Giffard

Un des problèmes du moteur à vapeur, c'est d'alimenter la chaudière en eau neuve.

Les méthodes traditionnelles faisaient appel soit à un réservoir placé en hauteur, soit à une pompe entraînée par le moteur.

Henri Giffard invente en 1858 un injecteur actionné par la vapeur, sans pièce mobile ni perte d'énergie (l'énergie de la vapeur est intégralement récupérée dans l'eau d'admission).

Bibliographie

• Adolphe Spineux, De la distribution de la vapeur dans les machines. Étude rationnelle des distributeurs, suivie d'une étude des volants et des régulateurs, Liège/Paris, Librairie polytechnique de J. Baudry, 1869.

Annexes

Articles connexes

• Irène, navire ayant transporté la première machine à vapeur d'Amérique
• Cheval-vapeur
• Denis Papin

Liens externes

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