Machine à vapeur

La machine à vapeur Sulzer et l'alternateur Brown Boveri en fonctionnement continu à Electropolis (Mulhouse), plus grand musée d'Europe consacré à l'électricité

La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent du XVIIIe siècle. C'est un moteur à combustion externe qui transforme l'énergie thermique de la vapeur d'eau (produite par une ou des chaudières) en énergie mécanique.

Comme première source d'énergie mécanique maîtrisée 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 XXe siècle, la machine à vapeur a été supplantée par la turbine à vapeur, le moteur électrique et le moteur à combustion interne pour fournir de l'énergie mécanique.

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.
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.

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

Au XIXe siècle, un archiviste espagnol affirma avoir découvert des documents qui prouvaient qu'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 propulsé par la vapeur d'un chaudron et des roues à aubes. Ces déclarations furent toutefois discréditées par les autorités espagnoles, les documents n'ayant pu être retrouvés.

Il fallut attendre le XVIIe siècle pour que réapparaisse l'idée d'utiliser la puissance de la vapeur d'eau. En 1601, Giambattista della Porta améliora l'utilisation de la force d'expansion de la vapeur d'eau.[réf. nécessaire] En 1606 Jerónimo de Ayanz y Beaumont en Espagne, utilisa la vapeur pour propulser un fluide (l'eau accumulée dans les mines) dans une buse[1] en flots continus puis, en 1615, le Français Salomon de Caus décrit une pompe capable de chasser l'eau d'un récipient[2].

En 1629, Giovanni Branca suggéra l'idée de moulins mus par la vapeur et, l'année suivante, David Ramseye obtint un brevet pour une pompe mue par un « moteur à feu ».

En 1663, le marquis de Worcester améliora le projet de Caus en équipant la chambre à vapeur d'un condenseur ; dans son atelier de Vauxhall, il fit adapter à cette fin un fût de canon par un artisan saxon, Kaspar Kalthoff[3], mais il mourut avant d'avoir pu mettre ses idées en pratique.

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

En 1679, le Français Denis Papin construit la première chaudière (utilisée comme autocuiseur), fermée par la première soupape. Conscient du potentiel de la vapeur, il propose l'idée du piston, qui donnerait accès à des puissances insoupçonnées jusqu'alors. Son prototype, en 1690, reste inefficace.

En 1698, Thomas Savery déposa 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 perfectionna en collaboration avec Thomas Newcomen, grâce, entre autres, aux travaux de Denis Papin. 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 faisait se condenser de la vapeur, grâce à un jet d'eau. Les vannes d'admission et d'échappement, d'abord à commande manuelle, furent automatisées par Henry Beighton, en 1718. Ces pompes étaient d'emploi courant dans toutes les mines humides de l'Europe. Elles étaient cependant très coûteuses à l'usage, car leur cylindre devait être réchauffé avant chaque admission de vapeur.

Machine à vapeur Millot.

Machine à vapeur de James Watt

Article connexe : Machine de Watt.

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 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, Watt continua à chercher des idées pour améliorer son invention, et, en 1781 il mit au point le 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 1803 et Arthur Woolf pour la voir émerger enfin. Combiné à un nouveau type de condenseur conçu par Edmund 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.

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