HISTOIRE DES MACHINES A VAPEUR : 1800 : augmentation des pressions

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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).

Création de machines spécifiques :

Machines fixes

Ces machines tournent à vitesse constante (utilisation du régulateur à boules de Watt).
Au  début se sont des machines à balancier (comme celle de Watt).
Vers 1850, avec les progrès de l'usinage des métaux, on peut usiner une coulisse pour guider la liaison bielle/tige du piston et créer des machines horizontales pour gagner de la place.

Vers 1870, machines "pilon" (même forme que le marteau pilon), avec l'apparition de l'expansion multiple offre un faible encombrement au sol malgré sa hauteur.
Machines demi fixes : machines sur châssis transportable utilisées dans les usines.
Locomobiles agricoles (utilisées au début en Angleterre, en France succès foudroyant après l'exposition de Londres en 1851)
Machines à grandes vitesse (> 200 tours / minute) après 1860 : retour au simple effet (évite étanchéité de la tige de piston).


Puissance des machines à vapeur fixes (cf. "La révolution industrielle 1780 - 1880" ref.)
(en milliers de CV) :

Pays / année 1800 1840 1850 1860 1870 1880 1888
Grande-Bretagne 7,5 350 500 700 900 2 000 2 200
France 34 67 178 336 544 796
Allemagne 20 40 200 900 1 680 2 000
Europe 7,5 450 720 1 350 2 760 5 270 6 350

Rappel : une tranche de centrale nucléaire de 1500 MW correspond à un peu plus de 2 millions de chevaux.
Consommation d'énergie par personne et par an, en moyenne mondiale.


En France c'est 50 000 kwh.
Site Manicore de Jean-Marc JANCOVICI : Energie

Locomotives

Machines complexes :

Quelques contraintes techniques :

Encombrement limité, inscription dans les courbes, suspension

Encombrement limité en largeur et hauteur (croisement avec autre train, passage dans les tunnels),
en longueur pour passer dans les courbes.
A gauche : bissel
A droite : bogie
Dans les 2 cas un système élastique tend à ramener la machine dans l'axe

Poids par roue limité pour ne pas casser les rails mais suffisant sur les roues motrices pour avoir de l'adhérence :
Utilisation des suspensions (ressorts et balanciers) pour répartir le poids sur toutes les roues. Avec les balanciers (y compris transversaux) et/ou l'utilisation de bogie ou bissel, la locomotive repose sur 3 points (détails sur ce site)

Stabilité en marche

Il y a des pièces lourdes (pistons, bielles) en mouvements alternatifs qui influent sur la stabilité de la machine sur la voie :
- cylindres horizontaux (près de l'axe de la machine),
- contre poids ajoutés aux roues pour équilibrage horizontal des bielles et pistons (verticalement, quand le contre poids passe à son point bas, cette force s'ajoute au poids de la locomotive et risque de casser les rails à grande vitesse).

Vitesse et puissance variable, possibilité de rouler en marche arrière

Réglage avec le régulateur (robinet pour régler le débit de vapeur) et le changement de marche qui permet de régler le degré de détente de la vapeur (voir le chapitre distribution).

Sécurité

Il faut attendre les années 1860 pour disposer d'acier fondu (convertisseur Bessemer) homogène et de bonne qualité. Avant le fer et l'acier obtenus par puddlage (éponge métallique compactée au marteau pilon) contiennent des scories qui sont des amorces du ruptures : d'où les accidents liés aux ruptures des rails ou des essieux (un 3ième essieu est rendu obligatoire par la loi).

Freinage

Au début il y a quelques wagons avec freins répartis dans le train. Dans ces wagons il y a un employé appelé "serre frein" qui surveille, depuis le toit du wagon, le signal envoyé par le mécanicien dans la locomotive. Il agit mécaniquement sur les freins (il vaut mieux qu'il ne s'endorme pas !!).

1870 : frein Westinghouse à air comprimée sécurisé (serrage en cas de rupture des tuyaux) agissant sur tous les wagons, piloté depuis la locomotive (le mécanicien modifie  la pression de la conduite générale).
Desserage : la conduite générale (CG) permet de regonfler les réservoirs auxilaires (RA) de chaque wagon (quand la locomotive s'arrête en gare on entend sa "respiration" qui correspond au compresseur qui regonfle tous les réservoirs).
Serrage : la pression de la conduite générale baisse, le piston P se déplace entrainant le tiroir : l'air du RA passe dans le cylindre de frein (le freinage commence). La pression du RA baisse, P revient un peu vers la gauche fermant la liaison RA - cylindre de frein. Si le mécanicien veut freiner un peut plus fort il recommence à baisser la pression de la CG. C'est un système de freinage progressif mais qui ne permet pas le déserrage progressif (il sera inventé plus tard).

Alimentation en eau de la chaudière

Utilisation de pompes entraînées par le mécanisme : problème à l'arrêt, la pompe ne tourne pas : 1858 Giffard invente l'injecteur (voir chapitre chaudière).

Quelques dates

1804 - 1825 ère des fondateurs

1804 machine haute pression de Trevithick
1825 - 1870 développement technique :
1829 chaudière tubulaire de Seguin et Stephenson,
Rocket gagne le concourt Rainhil
1842 coulisse Stephenson
1844 distribution Walschaerts

1845 Crampton (vitesse grâce à sa grande roue)
1850 spécialisation (vitesse, marchandise, montagne)
1858 injecteur Giffard (pour injecter de l'eau dans la chaudière même à l'arrêt : chapitre chaudière).
1876 - 1920 double expansion et surchauffe :
(voir chapitre rendement)
1850 Mallet est un pionnier de la double expansion
1886 en France première machine à double expansion
1898 surchauffeur Schmidt
1920 - 1950 rupture et innovation :
(voir chapitre maturité)

Machines pour bateaux

La consommation doit être faible car, en plus de l'économie de combustible, le poids du charbon économisé permet de transporter plus de fret. C'est pourquoi les machines marine ont été les premières à utiliser l'expansion multiple.
Le volume et le poids sont limités.

Structure des machines :

Au début utilisation de roue à aubes avec un axe perpendiculaire à celui du bateau : machine avec un balancier en bas dans l'axe du bateau.
Machines oscillantes pour réduire volume.

Pour les bateaux à hélice (à partir de 1845), l'arbre moteur est en bas et dans l'axe du navire.
Une solution est l'utilisation de machines horizontales mais le cylindre est perpendiculaire à l'axe du bateau ce qui impose une bielle trop courte (une bielle courte n'assure pas un mouvement régulier de l'arbre).
2 solutions ;

Bielle en retour : il y a 2 tiges de piston qui passent de chaque coté de l'arbre moteur pour actionner la bielle qui est en face du cylindre.

Machine à fourreau : la tige du piston est remplacée par un tube à l'intérieur duquel la bielle est attachée au droit du piston
Pour ces 2 types la machine était trop ramassée : conduite et entretient difficile. De plus les cylindres avaient tendance à s'ovaliser sous le poids des pistons.
A partir de 1865 la machine pilon se généralise (avec l'emploi de l'expansion multiple).

Chaudières :

Au début les faibles pressions permettent d'utiliser l'eau de mer (les hautes pressions entraînent des hautes températures d'eau qui provoquent des incrustations de sel dans la chaudière difficiles à éliminer). Quand la concentration de sel est trop forte on vide un peu d'eau de la chaudière que l'on remplace par de l'eau de mer (réchauffée par l'eau extraite).
A partir de 1860, l'utilisation de l'expansion multiple, en améliorant le rendement, diminue la quantité de vapeur, et permet l'utilisation d'un condenseur à surface. Le condenseur permet de fonctionner en circuit fermé (la vapeur qui sort du cylindre est condensée puis est réinjectée dans la chaudière). L'utilisation d'eau douce dans la chaudière permet d'accepter des pressions plus élevées nécessaires au bon rendement de l'expansion multiple.

Quelques dates

1807 Fulton construit le Clermont avec machine de Watt avec balancier en bas. En service sur l'hudson à New York
1816 traversée de la Manche.
1819 traversée Atlantique avec le Savannah vapeur et voile
1838 traversée Atlantique uniquement à la vapeur
1840 hélice
1870 machines pilon, expansion multiple

Machines routières

Problème de chaudière : doit être légère et puissante.
Au début il y avait concurrence avec la locomotive mais les routes supportent moins de poids que les rails : victoire de la locomotive !

Le rouleau compresseur est l'exception car le poids n'est pas un problème.
Il faut attendre les années 1890 pour disposer de chaudières moins lourdes (chaudière à circulation accélérée, à vaporisation instantanée Serpollet : voir chapitre chaudière)

A gauche : Tricycle De Dion Bouton)
A droite : bus
Les premières voitures à vapeur entrent en compétition avec les voitures à essence.
Serpollet pratique la vapeur en compétition : record de vitesse à Nice en 1903 avec 123 km/h.

Tramway à vapeur : utilisation du coke pour limiter la pollution, machine sans foyer (réservoir de vapeur isolé, rechargé aux terminus depuis une chaudière fixe).