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machine à vapeur

Machine à vapeur
Machine à vapeur

Machine mue par la force élastique de la vapeur d'eau.

TECHNOLOGIE

1. Le principe de la machine à vapeur

À la pression atmosphérique, une goutte d'eau à l'état de vapeur (→ gaz) occupe un volume 1 700 fois plus grand qu'à l'état liquide ; il en résulte une force d'expansion qui a été mise à profit comme force motrice dans les techniques, l'industrie, la navigation, etc. À 100 °C, la vapeur d'eau soulève la masse d'air qui pèse sur la surface du liquide, et qui équivaut à une pression de 1 bar. Sa force élastique croît rapidement avec la température.

2. L'invention de la machine à vapeur

La création de la machine à vapeur résulte directement des progrès accomplis par la physique dans la première moitié du xviie s. à la suite des travaux de Galilée, Torricelli, Otto von Guericke et Pascal : connaissance de la pression atmosphérique, rôle de la chaleur dans les changements d'état entre phase liquide et phase gazeuse.

Mais les premières tentatives de mise au point d'une machine utilisant la vapeur font l'objet de débats de part et d'autre de la Manche : en Angleterre, le marquis de Worcester aurait construit entre 1630 et 1645 une machine à élever l'eau, une « pompe à feu » utilisant la vapeur. Pour les Français, c'est Denis Papin : en 1679, l'élève de Huygens, explore ces nouvelles possibilités dans une première direction avec son digesteur, ancêtre de l'autocuiseur, qui constitue en même temps une chaudière à haute pression. Puis en 1690, en exploitant le vide créé par la condensation de la vapeur, Papin est le premier à faire mouvoir de la sorte un piston dans un cylindre. Papin s'inspire également des travaux de l'Anglais Thomas Savery qui, en 1698, a mis au point une pompe aspirante et refoulante exploitée dans l'industrie minière.

La machine à vapeur est entrée dans la pratique industrielle en 1712 avec l'Anglais Thomas Newcomen. Ce dernier opérait la condensation de la vapeur au moyen d'une injection d'eau dans le cylindre, d'où des pertes thermiques importantes. C'est pourquoi James Watt s'attacha, de 1765 à 1776, à créer la machine à condenseur séparé qui remédiait à cette imperfection : l'économie de combustible fut de 75  % environ. Poursuivant son effort, Watt transforma cette machine à simple effet en machine à double effet susceptible de recevoir de nombreuses applications industrielles.

Jouffroy d'Abbans fit en 1783 un essai réussi de bateau à vapeur sur la Saône à Lyon, mais c'est l'Américain Fulton qui, en 1807, créa le premier service régulier de bateau à vapeur aux États-Unis. Quant à la chaudière tubulaire, qui a rendu possible la locomotive à vapeur, elle fut appliquée à peu près simultanément en France et en Angleterre par Marc Seguin et George Stephenson ; ce dernier réalisa, dès 1829, avec sa locomotive Rocket, la première machine à grande vitesse moderne (56 km/h en compétition).

L'invention de la machine à vapeur est d'une importance capitale dans la révolution industrielle qui bouleverse le monde au cours du xixe siècle : cette nouvelle source d'énergie transforme les manufactures et les réseaux de communication, notamment le chemin de fer.

3. Évolution des machines à vapeur

La vapeur qui sert à l'alimentation d'une machine à vapeur est produite dans un générateur dit « chaudière » ; elle est ensuite utilisée dans le moteur proprement dit, et s'échappe finalement dans l'atmosphère ou dans un condenseur. L'ensemble des organes réglant l'admission et l'échappement constitue la distribution de vapeur. La pression acquise par la vapeur dans la chaudière est utilisée soit directement dans les moteurs à piston à mouvement alternatif, soit indirectement par transformation en énergie cinétique dans les turbines à vapeur.

L'évolution des chaudières a permis la réalisation des machines à haute pression utilisant la vapeur à température élevée. Le timbre des chaudières (la plaque indiquant la pression maximale admissible) est passé de 8-10 bars en 1900 à 125 bars, et même davantage. On a développé les économiseurs, destinés à utiliser la chaleur des gaz sortant de la chaudière proprement dite, et les réchauffeurs d'air, pour le soufflage d'air chaud sous les grilles.

Un très grand progrès, au point de vue du rendement des chaudières en marche industrielle, est dû à la généralisation des grilles mécaniques, du soufflage, de l'épuration, des appareils de contrôle. Les plus hauts rendements ont été atteints par les chaudières à charbon pulvérisé, injecté par de l'air sous pression dans un brûleur qui remplace le foyer, ainsi que par le tirage artificiel des foyers.

3.1. Machines à vapeur à mouvement alternatif

C'est après un siècle d'évolution depuis Watt, c'est-à-dire vers 1880, que ces machines se trouvent en possession de tous leurs caractères principaux : détente, soit dans un seul cylindre par fermeture anticipée de l'admission, soit dans plusieurs cylindres en cascade, réglage de la durée de l'admission par le régulateur, emploi de l'enveloppe de vapeur autour du cylindre et de la surchauffe de la vapeur.

3.2. Machine à piston

Dans un cylindre en fonte dure, fermé aux deux bouts, se meut un piston en fonte garni de deux ou trois segments en fonte douce ; la tige du piston en traverse le fond dans un presse-étoupe, et est guidée par une crosse et des glissières ; la crosse du piston s'articule au pied de la bielle. La bielle est articulée, d'autre part, au maneton de la manivelle (→ système bielle-manivelle) ; un volant régularise le mouvement et fait passer les points morts qui se produisent deux fois par tour, quand le piston est en fin de course.

Les machines monocylindriques sont souvent accouplées par deux, travaillant ensemble sur un arbre-manivelle à deux coudes à 90°, ce qui permet le démarrage à toutes positions des bielles et régularise la rotation sans nécessiter de volant.

3.3. Machines compound

Pour permettre à la vapeur de céder toute son énergie potentielle, on fait agir la vapeur successivement dans deux ou trois cylindres, dont les diamètres vont en croissant : on obtient ainsi une détente fractionnée, c'est-à-dire que l'on a une double ou une triple expansion. Dans la machine à échappement central, la vapeur entre par le fond du cylindre et s'échappe en fin de détente par des lumières ménagées au milieu du cylindre, que découvre le piston jouant le rôle de distributeur. La vapeur parcourt donc le cylindre sans changer de direction, d'où le nom d'équicourant donné à ces machines.

Dans les machines à cylindres oscillants, la bielle est supprimée par suite de l'articulation de la tige de piston avec la manivelle de l'arbre. Pour obtenir ce résultat, le cylindre est monté sur deux tourillons constituant un axe de rotation médian. Ces tourillons sont creux, et c'est par les canaux pratiqués à leur intérieur qu'ont lieu l'entrée et la sortie de la vapeur. Ces moteurs ne conviennent qu'à de petites forces. Ils ne sont pas encombrants, et leur construction est économique.

3.4. La fin des machines à vapeur

Les machines à vapeur à mouvement alternatif ont été à l'origine d'énormes progrès au xixe siècle, mais elles ont peu à peu disparu. Pour les grandes puissances, elles ont été remplacées par les turbines à vapeur (la première réalisation d'une turbine à réaction est de sir Charles Parsons en 1884), qui sont au premier rang pour l'installation des centrales électriques. La production d'électricité a également connu un essor avec l'invention du turboalternateur (dont la puissance atteint maintenant 1500  MW) par les Suisses Brown et Boveri en 1905.

Dans la petite et moyenne industrie, les machines à vapeur sont remplacées par les moteurs à combustion interne (le diesel notamment) et surtout par les moteurs électriques. Ce n'est que dans des cas exceptionnels, lorsqu'on dispose sur place de combustibles à bon marché (déchets de bois, de charbon) ou lorsque la production de vapeur est nécessaire pour d'autres besoins (chauffage), que l'on trouve parfois des machines à vapeur à piston en fonctionnement.