Machine à vapeur - Définition et Explications

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Machine à vapeur
Machine à vapeur

La machine à vapeur est une invention,dont les évolutions les plus significatives datent du XVIIIe siècle. C'est un moteur thermique à combustion externe, il transforme l'énergie thermique que possède la vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) fournie par une ou des chaudières en énergie mécanique. Comme première source d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) d'origine mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) constructible (On qualifie de constructible une chose qui peut être construite ou qui peut accueillir une...) et maîtrisable par l'Homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...) (contrairement à l'énergie de l'eau, des marées ou du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...), 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, elle a été supplantée par la turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...), le moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) électrique et le moteur à explosion (Le moteur à explosion est un moteur à combustion interne principalement utilisé pour...).

Histoire

L'Éolipyle d'Héron d'Alexandrie
L'Éolipyle d'Héron d'Alexandrie (Alexandrie (grec :?λεξ?νδρεια, Copte :...)

Les premiers travaux sur la vapeur d'eau et son utilisation remontent à l'Antiquité : Héron d'Alexandrie conçut et construisit au Ier siècle ap. J.-C. l'éolipyle qui, bien que considérée comme un jouet du fait de sa faible puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :), n'en était pas moins un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) à vapeur, à réaction.

Il fallut attendre le XVIIe siècle, pour que l'idée d'utiliser la puissance de la vapeur d'eau réapparaisse. En 1601, Giovanni Battista della Porta, puis en 1615 Salomon de Caus (Salomon de Caus, né vraisemblablement à Dieppe en 1576 en Normandie, dans le pays de Caux...) décrivent une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) capable de chasser l'eau d'un récipient. Puis en 1629 Giovanni Branea suggère l'idée de moulins mus par la vapeur et l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) d'après David Ramseye obtient un brevet pour une pompe mue par un moteur à feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation...). En 1663 Edward Somerset améliore le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) 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, avait eu l'idée du piston, donnant ainsi accès à des puissances insoupçonnées jusqu'alors. Un premier modèle commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.) fut utilisé dès 1712 dans les mines de charbon, près de Dudley, dans le centre de l'Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni....). Ces pompes fonctionnaient en produisant un vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) 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 (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un...) manuelle, sont automatisées par Henry Beighton, en 1718. Ces pompes deviennent rapidement courantes dans toutes les mines humides de l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...). Elles restent cependant très coûteuses à l'emploi car le cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...) doit être réchauffé avant chaque admission de vapeur.

L'Écossais James Watt,qui naquit en ecosse en 1736 et qui mourut en 1819 répara un moteur Newcomen en 1763, cherche alors des idées d'amélioration pour en augmenter l'efficacité. Ses réflexions débouchent en 1765 sur l'idée d'une chambre de condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...) 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 (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de son invention. En 1781 il met au point (Graphie) 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 (Les premières locomotives (au XIXe siècle) étaient propulsées par une machine à vapeur,...), il invente un indicateur de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) 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 indépendamment des variations de la production de vapeur et des sollicitations de puisance en sortie. Il introduit aussi une nouvelle unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de...) de la puissance, le cheval (Le cheval (Equus ferus caballus ou equus caballus) est un grand mammifère herbivore et...) 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 a mis au point en 1781, un double cylindre combiné où la vapeur passe d'abord dans un cylindre dans lequel elle pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) le piston avant de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) dans un cylindre fonctionnant selon le principe de la condensation qui équivaut à un système à double action. Mais son invention reste expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) sans application possible du fait des brevets de Watt, et il faut alors attendre 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, ceci va permettre la fabrication de machines compactes et puissantes, nécessaires à une utilisation mobile.

Principe et fonctionnement

Par l'intermédiaire d'un système de tiroir de distribution, 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 (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...) en un point excentré de son axe de rotation, son mouvement provoque donc une rotation du volant.

Tiroir à vapeur
Tiroir à vapeur

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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) 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 (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) 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 (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...) 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 (On distingue :) 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 (Le Régulateur est une série de bande dessinée française de science-fiction dans...) centrifuge mis au point par Watt, qui agit directement sur la vanne par laquelle la vapeur arrive de la chaudière (Une chaudière est un appareil (voire une installation industrielle, selon sa puissance),...).

Technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) et raffinements

Avec la généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de...) de son emploi, la machine à vapeur (La machine à vapeur est une invention,dont les évolutions les plus significatives datent du...) va connaître toute une série de perfectionnements destinés à améliorer son efficacité et sa puissance, en utilisant les pressions de plus en plus importantes fournies par les chaudières.

Double action

La double action inventée par Watt devient d'emploi général, elle permet un gros gain de puissance en éliminant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) où le piston se comporte comme un frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement...), celui-ci est alors moteur à l'aller et au retour. 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 pour les deux chambres.

Description du fonctionnement

L'arrivée et l'échappement de la vapeur des deux côtés du cylindre est réglée par le tiroir de distribution (6). Le piston est relié à la crosse, qui par l'intermédiaire de la bielle motrice transforme le mouvement de va-et-vient en mouvement circulaire. Ce mouvement est transmis à toutes les roues (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) motrices grâce aux bielles d'accouplement. Le réglage du tiroir de distribution pour inverser la marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un...) s'effectue au moyen du volant de commande de la vis de changement de marche (8) qui se trouve dans la cabine (Sur un bateau, une cabine désigne une pièce d'habitation pour une ou plusieurs personnes. Une...) de conduite.

Travail de la distribution (modèle de distribution Walschaert)  : C'est par le tiroir (6) que la vapeur est admise dans le cylindre (7) et agit alternativement sur chacune des faces du piston. La tige (La tige est chez les plantes à fleurs, l'axe, généralement aérien, qui prolonge la racine et...) de piston actionne la bielle couplée au train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) de roues motrices par l'intermédiaire de la crosse articulée (5). Les roues couplées deviennent toutes motrices.

Par l'intermédiaire de la contre-manivelle (2) calé (Calé (J XXXVII Kale) fut découverte en 2001 (d'où sa désignation temporaire...) à 90° de la manivelle motrice, une bielle fait osciller la coulisse (1) de distribution dans laquelle glisse la bielle de commande de tiroir (3). Couplée au levier d'avance (4), le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) de la bielle sur la coulisse permet de régler le décalage entre les déplacements du tiroir et ceux du piston. On peut ainsi régler le rapport puissance/vitesse du moteur et également changer de sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...).


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 (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure de sa détente. On vit ainsi d'abord les machines à double expansion comme les locomotives compound, puis celles à triple expansion comportant respectivement deux et trois cylindres dénommés cylindre à haute, moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) et basse pression. Les deux ou trois cylindres entraînaient un arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...) 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)

Inventé par Jacob Perkins en 1827, ce modèle se caractérise par l'emploi de soupapes et d'arbres à came tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) comme les moteurs à explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) pour la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) 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 (Le moteur Quasiturbine ou Qurbine est un type de moteur rotatif à combustion, inventé par la...).

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