Machine à vapeur
La machine à vapeur est une invention qui date du XVIIIe siècle. C'est un moteur thermique à combusion externe, qui sert à transformer l'énergie thermique, que possède la vapeur d'eau fournie par une ou des chaudières, en Énergie mécanique. Comme première source d'énergie d'origine mécanique, exploitable par l'Homme, elle a eu une importance majeure, lors de la Révolution industrielle, mais à l'aube du XXe siècle, elle est suplantée par la Turbine.
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Histoire
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Les premiers travaux sur la vapeur d'eau et son utilisation remontent à l'antiquité, Héron d'Alexandrie, conçut et construit au Ier siècle avant J.C., l'Eolipyle, qui bien que considéré comme un jouet du fait de sa faible puissance, n'en n'était pas moins un moteur à vapeur à réaction.
Il fallut attendre le XVIIe siècle, pour que l'idée de produire du travail à partir de la vapeur d'eau réapparaisse. Lorsque, en 1601, Giovanni Battista della Porta, puis en 1615 Salomon de Caus décrivent une pompe capable de chasser l'eau d'un récipient. En 1629, Giovanni Branea, suggère l'idée de moulins, mus par la vapeur et l'année d'après David Ramseye obtient un brevet pour une pompe, mue par un moteur à feu. En 1663, Edward Somerset améliore le projet de de Caus, en équipant la chambre à vapeur d'un refroidisseur, il construit un modèle de grande taille, mais il meurt avant d'avoir pu appliquer pratiquement sa création.
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, ayant eu l'idée du piston, donnant ainsi accès à des puissances insoupçonnées jusqu'alors. Un premier modèle commercial étant 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 couteuses à l'emploi car le cylindre doit être réchauffé avant chaque admission de vapeur.
L'écossais James Watt, après avoir réparé un moteur Newcomen, en 1763, cherche alors des idées d'amélioration pour augmenter l'efficacité de ceux-ci. 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 puissance produite constante en dépit des variations dans la production de vapeur et les sollicitations de puisance en sortie. Il introduit aussi une nouvelle unité de mesure de la puisance, 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 à mis 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 alors, 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, nécéssaires à une utilisation mobile.
Principe et Fonctionnement
Par l'intermédiaire d'un système de tiroir, 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, elle est fixée aussi sur le volant d'inertie en un point excentré de son axe de rotation, son mouvement provoque donc une rotation du volant.
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.
Technologie et raffinements
Avec la généralisation de son emploi, la machine à vapeur va connaitre toute une série de perfectionement destiné à améliorer son efficacité et sa puissance, en utilisant les pressions de plus en plus importante fournies par les chaudières.
Double action
Découverte par Watt, elle devient d'emploi général, car elle permet un gros gain de puissance en éliminant la phase où le piston se comporte comme un frein car il est alors moteur tout le long du cycle. 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 des deux chambres.
Expansion Multiple
Au cours du XIXe 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, 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 la plupart de l'eau contenue dans la vapeur, évitant d'avoir à emporter de grandes réserves d'eau, comme les réservoirs qui existaient sur des installations fixes.
Flot unique (uniflow)
Ce modèle se cractérise par l'emploi de soupapes et d'arbres à canne tout comme les moteurs à explosion pour la circulation de vapeur, il présente comme principaux avantages, d'éviter de faire passer la vapeur chaude et celle détendue par le même emplacement et d'être plus économe en vapeur.
Type rotatif
C'est une variante issue des recherches récentes sur la Quasiturbine.