Machine à vapeur

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

En 1765, aux mines d'argent de Barnaoul, le Russe Polzounov imagine de coupler deux cylindres pour exploiter les cycles compression-détente, et munit son moteur d'un régulateur à flotteur pour maintenir constant le niveau d'eau dans le circuit[4] : c'est le premier régulateur d'une machine à vapeur.

En 1770, le Français Cugnot construisit le premier véhicule automobile terrestre, un fardier, destiné à la traction de pièces d'artillerie. Ce prototype sans postérité utilisait un moteur de type Newcomen. Les performances du véhicule étaient insuffisantes pour un usage opérationnel.

Parallèlement, James Watt continua à chercher des idées pour améliorer son invention, et, en 1781 il mit au point un système mécanique permettant de créer un mouvement de rotation à partir du mouvement rectiligne du piston, ce qui lui permit 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 était fortement augmentée.

Il formalisa aussi une utilisation possible en 1784 en déposant un brevet sur une locomotive à vapeur, inventa un indicateur de pression de la vapeur dans le cylindre, et, en 1788, une valve de puissance pour laquelle il reprit 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 introduisit 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 qui étaient prônés par d'autres inventeurs comme Jonathan Hornblower, et 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 resta expérimentale, sans application possible du fait des brevets de Watt, et il fallut attendre les années 1797-1799 avec Richard Trevithick et 1803 avec Arthur Woolf pour la voir émerger enfin. Combiné à un nouveau type de condenseur conçu par Edmond Cartwright qui enveloppait le cylindre et l'apparition des chaudières produisant de la vapeur à haute pression, cela permit la fabrication de machines compactes et puissantes, nécessaires à une utilisation mobile.

Locomotive de Trevithick (1804), premier succès d'une locomotive à vapeur sur rail.

L'ingénieur des mines Richard Trevithick mit au point, entre 1797 et 1799, une machine à vapeur haute pression en supprimant le condenseur, avec échappement dans l'atmosphère, ce qui augmentait la puissance mais aussi le risque d'explosion. Ces machines devinrent plus compactes et plus simples. Portatives, elles pouvaient être installées sur des bateaux, dans des fermes pour battre le blé, dans des moulins ou de petites fabriques[5]. Trevithick orienta ses machines routières (des locomotives sur route) rapidement vers le rail compte tenu de leur poids et de l'état des routes. Il construisit la première locomotive à vapeur sur rails en 1803, la faisant rouler en 1804. Elle pouvait « remorquer un train de wagons chargé de 10 tonnes de fer et de 70 hommes, parcourant 14 kilomètres en quatre heures et cinq minutes[6] ».

À la fin du XVIIe siècle, les activités minières ont commencé à être gravement entravées par des problèmes d'inondations. Suite aux recherches scientifiques de Torricelli et Pascal, il y a eu plusieurs tentatives d'utilisation de la pression atmosphérique pour extraire l'eau des mines. Le moteur Savery, clairement inspiré des investigations scientifiques de l'époque, peut être considéré comme le premier effort réussi dans ce sens. Le moteur a été développé dans la période 1695-1702. Sans aucun doute, l'importance historique du moteur Savery réside davantage dans la démonstration des potentialités générales de l'utilisation de la puissance à vapeur que dans ses applications pratiques, même si un certain nombre de ces moteurs ont continués à être effectivement utilisés pendant plusieurs années[7].

Ensuite, la machine à vapeur a su occuper une place centrale dans l'histoire économique de la révolution industrielle européenne. Aujourd'hui, il est généralement admis que les récits traditionnels du processus d'industrialisation tels que ceux de Rostow (1960) et des Landes (1969) avaient tendance à confondre l'importance économique de la machine à vapeur avec sa diffusion précoce, en considérant la diffusion rapide et efficace de cette technologie comme preuve de son importance économique pour l’Europe.. Cette vision est aujourd’hui parfois critiquée par certains, jugeant cette vision incomplète dans le sens où elle ne tient compte que du déploiement des machines à vapeur, au détriment d’aspects tout aussi importants comme le contexte social de l’époque et le besoin de l’industrie de se développer et de trouver de nouvelles méthodes pour améliorer les rendements, vu la demande qui ne cesseaient de croître[8].

L'application industrielle de la machine à vapeur de James Watt (présentée ci-dessus) commence à partir de 1775, après que James Watt s'est associé avec Matthew Boulton. Leur démarche de commercialisation était de faire contrat avec un client équipé d'une machine ancienne et financer le remplacement par une machine de Watt. Watt brevète plusieurs autres inventions comme la machine rotative et surtout la machine à double effet (1783) dans laquelle le cylindre reçoit la vapeur alternativement par le bas et par le haut, ainsi qu'un régulateur à boules ou centrifuge (1788) assurant une vitesse constante au moteur[8].

La machine à vapeur est ainsi en mesure de remplacer les moteurs hydrauliques, pour l'entraînement d'outils industriels.

Leur déploiement éclair a été le résultat d’un mélange de plusieurs paramètres sociaux et historiques: au XVIIe siècle, les prouesses et les découvertes scientifiques et physiques étaient de plus en plus importantes et fréquentes, ce qui causa naturellement le développement rapide de plusieurs technologies ayant pour but d’améliorer le train de vie de la population, leurs applications à l’industrie avaient quant-à-elles comme objectif d’augmenter les performances à moindre coût, la machine à vapeur s’inscrit alors dans ce cadre comme une technologie de pointe pour l’époque capable de multiplier les performances des usines, comme une clé ouvrant les portes de nouvelles découvertes. L’adoption et l’approbation de la machine à vapeur par une grande partie de la population peut aussi expliquer ce déploiement rapide, et ce grâce notamment au train à vapeur dont le nombre d’usagers augmentait d’une manière exponentielle[7].

Le développement de ces machines a donc été extrêmement rapide : 496 machines à vapeur Boulton[7] et Watt sont en service en Grande-Bretagne en 1800. Le développement de la machine à vapeur est alors l'une des raisons de la précocité économique britannique. En 1830, le Royaume-Uni possède 15 000 machines à vapeur, la France 3 000 et la Prusse 1 000. La France reste à la traîne dans ce domaine : en 1880, elle ne possède que 500 000 chevaux-vapeur installés contre deux millions pour le Royaume-Uni et 1,7 million pour l'Allemagne.

Le déploiement des machines à vapeur a accéléré la mécanisation de l’agriculture et, par conséquent, l’exode rural, ce qui, par contrecoup, a créé une main d'œuvre plus qualifiée employable par le secteur industriel.

En utilisant le nombre de machines à vapeur installées en 1800 comme indicateur synthétique du changement technologique et des statistiques professionnelles pour mesurer les compétences professionnelles, une corrélation positive est établie entre l'utilisation de machines à vapeur et la part de travailleurs qualifiés au niveau des comtés. La variation exogène dans les strates de roches carbonifères (contenant du charbon pour alimenter les moteurs) montre que l'effet était causal[9].

Si le changement technologique a stimulé la formation de compétences professionnelles, il a eu un effet globalement neutre sur la formation de l'enseignement primaire, reflété par les taux d'alphabétisation et de scolarisation qui n’ont pas augmenté spécialement pendant cette époque.  L’effet ambigu de la révolution industrielle sur la formation du capital humain étaye le discours selon lequel l’industrialisation précoce de l’Angleterre a eu un effet neutre sur l’enseignement primaire, voire lui a nui. Cela a provoqué un manque de développement de l'éducation, dans le sens où la société avait un intérêt plus important dans les nouvelles opportunités que l’industrie offrait, en impulsant la formation des compétences professionnelles formelles au détriment de l’enseignement classique. Mais les effets observés montrent également que les débuts de l'industrie ont stimulé la formation de compétences professionnelles formelles, en particulier celles spécifiques à l'industrie[10].

Les machines à vapeur ont permis de simplifier des processus d’extraction et de fabrication.

Un premier exemple est l’extraction du charbon. Ce processus a pu être simplifié et son rendement a augmenté par l’instauration de machine à vapeur ce qui a eu une influence directe sur la baisse du prix du charbon au XVIIe siècle[7].

L’industrie textile est aussi touchée par les progrès dû à l’instauration de la machine à vapeur qui ont permis de faire fonctionner de nouvelles machines à tisser qui vont favoriser l'activité en atelier. Les fabriques et les manufactures vont ainsi se développer considérablement, provoquant la ruine des artisans et des entreprises familiales. Tous ces progrès permettent un essor et une productivité sans précédent pour l’industrie du coton. En même temps, la machine à vapeur se développe de plus en plus au sein des industries, et remplace peu à peu l’énergie hydraulique.

La métallurgie connaît également des progrès importants avec l'instauration de la machine à vapeur qui a permis des innovations telles que le remplacement du bois par le charbon dans la fonte au coke, ou plus généralement comme combustible[10].

Machine pédagogique Lego à deux cylindres à double action. Noter le calage à 90° des deux vilebrequins qui autorise l'absence de volant d'inertie.

La double action inventée par Watt devient d'emploi général, elle permet un gain important de puissance en éliminant la phase où le piston se comporte comme un frein, celui-ci devenant moteur à l'aller comme 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.

(animation ci-dessous) L'arrivée et l'échappement de la vapeur des deux côtés du cylindre sont commandées 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 les deux 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)[alpha 1]

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. L'expansion multiple permit une amélioration significative du rendement des moteurs à vapeur, et de l'autonomie des navires utilisant cette technologie.

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.

Les machines à expansion multiple sont parfois appelées moteur à pilon.

L'ingénieur écossais William McNaught (en) breveta un moteur à double effet en 1845. Sur le cylindre d'une machine de type Boulton & Watt, il brancha un cylindre à haute pression, comprimé par l'autre extrémité du balancier, où l'on fixait normalement la pompe d'eau à actionner. Il en résulta deux effets importants : la force sur le balancier était considérablement réduite, et la conduite de vapeur d'eau, par sa longueur, faisait fonction d'enceinte d'expansion, élément manquant dans les machines Woolf[11]. Il était ainsi devenu possible de modifier les machines Watt après-coup, et les machines ainsi modifiées étaient dites McNaughted. Les avantages du moteur compound ne devenaient sensibles que pour des pressions supérieures à 7 bars.

Afin d'améliorer le rendement il faut que la source froide soit à une température et une pression la plus basse possible, ce qui est réalisé en ramenant l'eau à son état liquide en la condensant[12]. Cette technologie du condenseur est particulièrement importante dans les applications navales et ferroviaires, car elle permet de réutiliser l'essentiel de l'eau par condensation de la vapeur après utilisation dans les cylindres, évitant ainsi d'avoir à emporter de grandes réserves d'eau, comme les réservoirs qui existaient sur les installations fixes. L'inconvénient de cette technique est le poids et l'encombrement du condenseur. Les tenders à condenseurs sont surtout utilisés sur des lignes ferroviaires où l'eau est rare ou la distance à parcourir, sans arrêt, importante.

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Chaudière tubulaire neuve destinée à la locomotive Pinguely 030T du chemin de fer de la baie de Somme, vue depuis sa boîte à fumée.

Inventée par Charles Dallery vers 1780, la chaudière tubulaire a des tubes pleins d’eau chauffés extérieurement par les gaz brûlants de la chaudière.

En 1824, Marc Seguin choisit de chauffer les tubes par l’intérieur, l'eau étant autour de ceux-ci, 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 utilise sur le chemin de fer de Saint-Étienne à Lyon.

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Schéma de fonctionnement d'une machine à vapeur à flot unique

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.

Du fait que la lumière d'échappement se trouve en fin de course, le piston à flot unique (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 la troncature de la course au point bas raccourcit le cycle de détente.

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

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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).

• 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.
• (en) Richard L. Hills, Power from steam : a history of the stationary steam engine, Cambridge, Cambridge University Press, 1989, 338 p. (ISBN 0-521-34356-9)

• Animation interactive & télécharger Sur le site 1-stromvergleich.com
• Le 1^er portail Francophone de machines à vapeur, moteur Stirling et Vacuum et bateaux Pop pop

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