HISTOIRE DES MACHINES A VAPEUR

18 ième siècle : Débuts : machines atmosphériques

Découverte de la pression atmosphérique par Torricelli (1644) et Pascal (1648), expérience des hémisphères de Magdebourg (1654).
Huygens fait le vide dans un cylindre avec de la poudre à canon (1673) ce qui permet au piston de soulever des poids.
Papin utilise de la vapeur à la place de la poudre (1690).
Savery crée une pompe à vapeur sans piston (1698).
Newcomen crée une pompe à vapeur avec piston (1712).
Watt améliore le rendement de la pompe de Newcomen en utilisant un condenseur séparé du cylindre (1769).
Watt crée la machine à vapeur à double effet (1782) : possibilité d'entraîner des machines.
Voir page "Machines atmosphériques"

1800 : Augmentation de la pression

En 1800 le brevet de Watt expire.
Pour les machines mobiles (marine, chemin de fer, route) il faut de la puissance avec un poids limité : d'où de nombreux essais de machines avec une pression supérieure à la pression atmosphérique (quelques bars).
Amélioration de la distribution (mécanisme qui permet d'envoyer la vapeur d'un coté du piston puis de l'autre) : utilisation de la détente de la vapeur dans le cylindre pour améliorer le rendement de la machine. Voir page "Distribution"
Création de machines spécifiques : fixes pour les usines, marine, chemin de fer, route, avec des contraintes et des besoins propres à chaque utilisation.
Voir page "Augmentation de pression" décrit les caractéristiques et contraintes des différents types de machines.

1850 : Vers une lente compréhension  des phénomènes internes : amélioration du rendement

Au 19ième siècle les moyens de mesure sont limités : il est très difficile de comprendre ce qui ce passe dans le cylindre.
Il y a l'indicateur de Watt qui permet de mesurer la pression dans le cylindre en fonction de la position du piston, le frein de Prony (1821) qui permet de mesurer le couple de la machine (donc sa puissance en connaissant la vitesse). Mais il n'y a pas de capteur à réponse rapide permettant se suivre l'état de la vapeur en cours de cycle.
En mesurant la consommation d'eau on constate que le volume de vapeur absorbé est très supérieur au volume théorique (calculé à partir du volume du cylindre et du nombre de tours de la machine).
Il faudra attendre les années 1875 et les travaux de Hirn pour comprendre et admettre l'influence des parois du cylindre sur le cycle de la vapeur dans la machine et expliquer les anomalies de consommation d'eau.
Cela permettra de valider certaines techniques qui améliorent le rendement : enveloppe de vapeur autour des cylindres, surchauffe, détente multiple (double, triple et même quadruple expansion), admission et échappement séparés (Corliss, soupapes), machine équicourant.
Voir page "Amélioration du rendement"

20 ième siècle : Maturité : utilisation de la thermodynamique

Au 20ième siècle la thermodynamique est utilisée de même que la mécanique des fluides (loi de l'écoulement des fluides). Ce qui permet d'améliorer les dernières machines à piston (locomotive Chapelon), et de bien utiliser la vapeur dans les turbines. C'est l'amélioration des matériaux qui permet d'augmenter les pressions et les températures et donc le rendement des turbines.
Voir page "maturité"

Chaudières et condenseurs

Les machines ayant un faible rendement, les chaudières doivent produire beaucoup de vapeur (pour un rendement de 10 %, la chaudière doit être 10 fois plus puissante que la machine, 20 fois pour 5 % de rendement...). De même pour les condenseurs, plus le rendement de la machine est faible plus le volume de vapeur à traiter est important.
Pour les machines fixes la principale contrainte est le prix (construction et fonctionnement), mais pour les machines mobiles il faut aussi diminuer le poids et le volume : augmentation des surfaces de contact gaz chauds / eau (tubes de fumée, tubes d'eau), augmentation du tirage (échappement dans la cheminée, ventilateur pour aspirer la fumée ou souffler l'air sous la grille).
Voir page "Chaudières et condenseurs"

Art et vapeur

Voir quelques tableaux et des liens pour des extraits de films et de musiques.

Animation machines à vapeur

Animations où on peut faire bouger le mécanisme avec un ascenseur, changer le relevage, le sens de rotation et la vitesse. Voir page "Animation machines à vapeur"

Liens internet et bibliographie

Voir page " liens et bibliographie "

Vapeur passion : texte d'André Chapelon

Texte d'André Chapelon, ingénieur génial (transforme une locomotive Pacifique : puissance doublée avec une consommation de charbon diminuée de 20 %) et comme les ingénieurs de cette époque ayant une bonne culture classique, qui commentait la fin de la traction à vapeur :

"Ainsi c'est achevé en France l'histoire de la locomotive à vapeur, machine merveilleuse grâce à laquelle ont été rendus possibles les progrès du XIX ième siècle et qui aura procuré à ceux qui l'auront servie le privilège d'avoir connu des heures exaltantes, parce que leurs facultés d'hommes y auront trouvé leur plein emploi.
Il faut avoir éprouvé les sensations fortes qui naissent ainsi au cours de ces luttes héroïques dont l'enjeu est un horaire tenu ou un record battu pour que reste à jamais gravée dans la mémoire l'impétueuse beauté de ces extraordinaires machines.
Comme l'être vivant, elles puisent dans la chaleur la source du mouvement et, pour assouvir les exigences de leur brasier dévorant dont l'éclat insoutenable à la vue vous rejette en arrière, il faut tout l'art d'hommes que ne remplacera jamais un robot.
Ayant revêtu des formes sans cesse plus expressives des fonctions qu'on attendait d'elle : force ou vitesse, l'esthétique de la locomotive à vapeur, si conforme à la conception platonicienne du beau qui résulte de l'expression d'une vérité, a depuis toujours frappé l'imagination des foules et suscité parmi elles un nombre insoupçonné d'admirateurs passionnés.
Puissent les engins nouveaux (...) susciter auprès des générations qui montent autant d'enthousiasme et autant de vocations que celle qui restera la plus vivante et la plus belle des machines : la locomotive à vapeur."
(cf. "L'aventure scientifique et technique de la vapeur" p 254  ref.)