Machine a vapeur

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Machine a vapeur

Machine à vapeur

La machine √† vapeur est une invention dont les √©volutions les plus significatives datent du XVIIIe si√®cle. C'est un moteur thermique √† combustion externe. Il transforme l'√©nergie thermique que poss√®de la vapeur d'eau fournie par une ou des chaudi√®res en √©nergie m√©canique.

Comme premi√®re source d'√©nergie m√©canique constructible et ma√ģtrisable par l'Homme (contrairement √† l'√©nergie de l'eau, des mar√©es ou du vent, qui n√©cessitent des sites sp√©ciaux et que l'on ne peut actionner facilement √† la demande), elle a eu une importance majeure lors de la R√©volution industrielle. Mais au XXe si√®cle, la machine √† vapeur ¬ę alternative ¬Ľ √©t√© supplant√©e par la turbine √† vapeur. Le moteur √©lectrique et le moteur √† combustion interne l'ont aussi remplac√©e dans la mise √† disposition d'√©nergie m√©canique.

Machine √† vapeur : le mouvement de la biellette qui relie le r√©gulateur centrifuge au papillon d'admission de vapeur est montr√© ici en mouvement continu. Dans la r√©alit√©, la biellette n'est activ√©e que lorsque la machine acc√©l√®re ou ralentit.

Sommaire

Histoire

L'√Čolipyle d'H√©ron d'Alexandrie

Les premiers travaux sur la vapeur d'eau et son utilisation remontent √† l'Antiquit√© : H√©ron d'Alexandrie con√ßut et construisit au Ier si√®cle ap. J.-C. l'√©olipyle qui, bien que consid√©r√©e comme un jouet du fait de sa faible puissance, n'en √©tait pas moins un moteur √† vapeur, √† r√©action.

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 d√©monstration d'un bateau m√Ľ par la vapeur d'un chaudron et des roues √† aubes, mais il semble que ses nombreuses inventions n'ont pas eu de suite. Comme il a gard√© secret son proc√©d√©, on ne conna√ģt pas le m√©canisme exact de son fonctionnement.

Il fallut attendre le XVIIe si√®cle pour que r√©apparaisse l'id√©e d'utiliser la puissance de la vapeur d'eau. En 1601, Giambattista della Porta, puis en 1615, Salomon de Caus, d√©crivent une pompe capable de chasser l'eau d'un r√©cipient. En 1629, Giovanni Branca sugg√®re l'id√©e de moulins mus par la vapeur et, l'ann√©e suivante, David Ramseye obtient un brevet pour une pompe mue par un moteur √† feu. En 1663 Edward Somerset am√©liore le projet de Caus en √©quipant la chambre √† vapeur d'un refroidisseur, il construit un mod√®le de grande taille, mais meurt avant d'avoir pu appliquer pratiquement sa cr√©ation.

En 1668, le j√©suite flamand Ferdinand Verbiest d√©crit dans son livre le premier v√©hicule terrestre m√Ľ par un jet de vapeur et une roue √† aubes.

En 1698, Thomas Savery d√©pose un brevet sur une pompe destin√©e √† l'exploitation mini√®re, fonctionnant √† la vapeur, directement inspir√©e des travaux de Edward Somerset. Par la suite, il la perfectionne en collaboration avec Thomas Newcomen, gr√Ęce, entre autres, aux travaux du Fran√ßais Denis Papin. Ce dernier, apr√®s avoir invent√© un prototype d'autocuiseur, avait eu l'id√©e du piston, donnant ainsi acc√®s √† des puissances insoup√ßonn√©es jusqu'alors. Un premier mod√®le commercial fut utilis√© d√®s 1712 dans les mines de charbon, pr√®s de Dudley, dans le centre de l'Angleterre. Ces pompes fonctionnaient en produisant un vide dans une chambre ferm√©e o√Ļ l'on fait se condenser de la vapeur, gr√Ęce √† un jet d'eau. Les vannes d'admission et d'√©chappement, d'abord √† commande manuelle, sont automatis√©es par Henry Beighton, en 1718. Ces pompes deviennent rapidement courantes dans toutes les mines humides de l'Europe. Elles restent cependant tr√®s co√Ľteuses √† l'emploi, car le cylindre doit √™tre r√©chauff√© avant chaque admission de vapeur.

James Watt
Machine à vapeur de Watt.

L'√Čcossais James Watt (1736-1819) r√©pare un moteur Newcomen en 1763 : il cherche alors des id√©es d'am√©lioration pour en augmenter l'efficacit√©. Ses r√©flexions d√©bouchent en 1765 sur l'id√©e d'une chambre de condensation pour la vapeur s√©par√©e par une valve, id√©e sur laquelle il d√©pose un brevet en 1769. Il commence alors √† produire des moteurs am√©lior√©s avec le financement de Matthew Boulton.

Il continue en parall√®le √† chercher des id√©es sur et autour de son invention. En 1781 il met au point le syst√®me m√©canique permettant de cr√©er un mouvement de rotation √† partir du mouvement rectiligne du piston, ce qui lui permet ensuite de concevoir le cylindre √† double action o√Ļ la vapeur entra√ģne le piston, lors de sa mont√©e et de sa descente. La puissance de la machine en est fortement augment√©e.

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 frein√© le d√©veloppement des syst√®mes √† haute pression fonctionnant par l'expansion de la vapeur auxquels il ne croyait pas, mais pr√īn√©s par d'autres inventeurs comme Jonathan Hornblower, qui durent attendre l'expiration des brevets en 1800, apr√®s leur prolongation en 1782. Ce dernier mit au point, en 1781, un double cylindre combin√© o√Ļ 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 √©quivaut √† un syst√®me √† double action. Mais son invention reste exp√©rimentale, sans application possible du fait des brevets de Watt, et il faut attendre 1803 et Arthur Woolf pour la voir √©merger enfin. Combin√© √† un nouveau type de condenseur con√ßu par Edmund Cartwright qui enveloppe le cylindre et l'apparition des chaudi√®res produisant de la vapeur √† haute pression, cela va permettre la fabrication de machines compactes et puissantes, n√©cessaires √† une utilisation mobile.

Principe et fonctionnement

Par l'interm√©diaire d'un syst√®me de tiroir de distribution, ouvrant et fermant des lumi√®res, la vapeur d'eau sous pression est envoy√©e √† une extr√©mit√© d'un cylindre, o√Ļ elle pousse un piston. Ce dernier entra√ģne la bielle qui est articul√©e dessus et fix√©e sur le volant d'inertie en un point excentr√© 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'√©chappement. Quand le piston arrive au bout du cylindre, la biellette repousse le tiroir :

  • Dans le cas du cylindre simple effet, le tiroir referme la lumi√®re d'entr√©e de la vapeur et du m√™me c√īt√© ouvre une autre lumi√®re pour laisser s'√©chapper la vapeur contenue dans le cylindre. Le volant, par l'√©nergie cin√©tique accumul√©e, continue de tourner, repoussant ainsi le piston au point de d√©part.
  • Dans un cylindre √† double effet, le tiroir ouvre, en plus, une lumi√®re d'admission pour la vapeur de l'autre c√īt√©, elle repousse le piston qui continue sa pouss√©e 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.

Technologie et raffinements

Avec la g√©n√©ralisation de son emploi, la machine √† vapeur va conna√ģtre toute une s√©rie de perfectionnements destin√©s √† am√©liorer son efficacit√© et sa puissance, en utilisant les pressions de plus en plus importantes fournies par les chaudi√®res.

Double action

La double action invent√©e par Watt devient d'emploi g√©n√©ral, elle permet un gros gain de puissance en √©liminant la phase o√Ļ le piston se comporte comme un frein, celui-ci est alors moteur √† l'aller et au retour. Sur les moteurs fonctionnant par l'expansion de la vapeur, il est pouss√© alternativement par les deux chambres d'expansion qu'il d√©limite. Le syst√®me d'alimentation √† tiroir a alors pour r√īle de d√©clencher soit l'alimentation, soit l'√©chappement pour les deux chambres.

Description du fonctionnement

L'arriv√©e et l'√©chappement de la vapeur des deux c√īt√©s du cylindre est r√©gl√©e par le tiroir de distribution (6). Le piston est reli√© √† la crosse qui, par l'interm√©diaire de la bielle motrice, transforme le mouvement de va-et-vient en mouvement circulaire. Ce mouvement est transmis √† toutes les roues motrices gr√Ęce aux bielles d'accouplement. Le r√©glage 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.

Steam locomotive work.gif

Par l'interm√©diaire de la contre-manivelle (2) cal√©e √† 90¬į de la manivelle motrice, une bielle fait osciller la coulisse (1) de distribution dans laquelle glisse la bielle de commande de tiroir (3). Coupl√©e au levier d'avance (4), le d√©placement de la bielle sur la coulisse permet de r√©gler le d√©calage entre les d√©placements du tiroir et ceux du piston. On peut ainsi r√©gler le rapport puissance/vitesse du moteur et √©galement changer de sens.

Expansion multiple

Animation simplifiée d'un moteur à triple expansion.

Au cours du XIXe si√®cle, la pression disponible √† la sortie des chaudi√®res augmentant, on finit par utiliser plusieurs cylindres de taille croissante, o√Ļ la vapeur passe successivement au fur et √† mesure de sa d√©tente. On vit ainsi d'abord les machines √† double expansion comme les locomotives compound, puis celles √† triple expansion comportant respectivement deux et trois cylindres d√©nomm√©s cylindre √† haute, moyenne et basse pression.

Les deux ou trois cylindres entra√ģnaient un arbre moteur commun ; une variante comportait deux cylindres √† basse pression, les quatre cylindres √©tant alors arrang√©s 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

Invent√©e par Marc Seguin en 1824, elle consiste √† faire passer les gaz br√Ľlants par des tubes qui traversent la chaudi√®re, multipliant ainsi par six la puissance du moteur.

Flot unique (uniflow)

Invent√© par Jacob Perkins en 1827, ce mod√®le se caract√©rise par l'emploi de soupapes et d'arbres √† came, tout comme les moteurs √† explosion, pour la circulation de vapeur : il pr√©sente l'avantage d'√©viter de faire passer la vapeur chaude et celle d√©tendue par le m√™me emplacement, et aussi d'√™tre plus √©conome en vapeur.

Type rotatif

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

Injecteur Giffard

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

Les m√©thodes traditionnelles faisaient appel soit √† un r√©servoir plac√© en hauteur, soit √† une pompe entra√ģn√©e 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. √Čtude rationnelle des distributeurs, suivie d'une √©tude des volants et des r√©gulateurs, Li√®ge/Paris, Librairie polytechnique de J. Baudry, 1869.

Annexes

Articles connexes

  • Ir√®ne, navire ayant transport√© la premi√®re machine √† vapeur d'Am√©rique

Liens externes

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