Les premiers travaux sur la vapeur d'eau et son utilisation remontent a l' Antiquite ?: Heron d'Alexandrie concut et construisit au I ^er ?siecle son eolipyle qui, bien que considere comme un jouet du fait de sa faible puissance et de son utilite, n'en etait pas moins un moteur a vapeur, a reaction .

Il fallut attendre le XVII ^e ?siecle pour que reapparaisse l'idee d'utiliser la puissance de la vapeur d'eau. En 1601, Giambattista della Porta ameliora l'utilisation de la force d'expansion de la vapeur d'eau. ^{[ref.?necessaire]}

En 1606, Jeronimo de Ayanz y Beaumont en Espagne, utilisa la vapeur pour propulser un fluide (l'eau accumulee dans les mines) dans une buse ^{[ 1 ]} en flots continus puis, en 1615, le Francais Salomon de Caus decrivit une pompe capable de chasser l'eau d'un recipient ^{[ 2 ]} .

En 1629, Giovanni Branca suggera l'idee de moulins mus par la vapeur et, l'annee suivante, David Ramseye obtint un brevet pour une pompe mue par un ≪?moteur a feu?≫.

En 1663, le marquis de Worcester ameliora le projet de Caus en equipant la chambre a vapeur d'un condenseur ?; dans son atelier de Vauxhall , il fit adapter a cette fin un fut de canon par un artisan saxon, Kaspar Kalthof ^{[ 3 ]} , mais il mourut avant d'avoir pu mettre ses idees en pratique.

En 1668, le jesuite flamand Ferdinand Verbiest decrivit dans son livre le premier vehicule terrestre mu par un jet de vapeur et une roue a aubes .

En 1679, le Francais Denis Papin construit la premiere chaudiere (utilisee comme autocuiseur ), fermee par la premiere soupape . Conscient du potentiel de la vapeur, il propose l'idee du piston, qui donnerait acces a des puissances insoupconnees jusqu'alors. Son prototype, en 1690, reste inefficace.

En 1698, Thomas Savery deposa un brevet sur une pompe destinee a l' exploitation miniere , fonctionnant a la vapeur, directement inspiree des travaux de Edward Somerset. Par la suite, il la perfectionna en collaboration avec Thomas Newcomen , grace, entre autres, aux travaux de Denis Papin . Un premier modele commercial fut utilise des 1712 dans les mines de charbon, pres de Dudley , dans le centre de l' Angleterre . Ces pompes fonctionnaient en produisant un vide dans une chambre fermee ou l'on faisait se condenser de la vapeur, grace a un jet d'eau. Les vannes d'admission et d'echappement, d'abord a commande manuelle, furent automatisees par Henry Beighton  (en) , en 1718. Ces pompes etaient d'emploi courant dans toutes les mines humides de l' Europe . Elles etaient cependant tres couteuses a l'usage, car leur cylindre devait etre rechauffe avant chaque admission de vapeur.

L'Ecossais James Watt (1736-1819) repare un moteur de Thomas Newcomen en 1763?; il cherche alors des idees d'amelioration pour en augmenter l'efficacite. Ses reflexions debouchent en 1765 sur l'idee d'une chambre de condensation pour la vapeur separee du cylindre principal par une valve, idee pour laquelle il depose un brevet en 1769. Il commence alors a produire des moteurs ameliores avec le financement de Matthew Boulton .

En 1765, aux mines d'argent de Barnaoul , le Russe Ivan Polzounov imagine de coupler deux cylindres pour exploiter les cycles compression-detente, et munit son moteur d'un regulateur a flotteur pour maintenir constant le niveau d'eau dans le circuit ^{[ 4 ]} ?: c'est le premier regulateur d'une machine a vapeur.

En 1770 , le Francais Cugnot construisit le premier vehicule automobile terrestre, un fardier, destine a la traction de pieces d'artillerie. Ce prototype sans posterite utilisait un moteur de type Newcomen. Les performances du vehicule etaient insuffisantes pour un usage operationnel.

Parallelement, James Watt continue a chercher des idees pour ameliorer son invention et, en 1781, il met au point un systeme mecanique permettant de creer un mouvement de rotation a partir du mouvement rectiligne du piston, ce qui lui permet ensuite de concevoir le cylindre a double action ou la condensation de la vapeur entraine le piston , lors de sa montee et de sa descente. La puissance de la machine en est fortement augmentee.

Il formalise aussi une utilisation possible en 1784 en deposant un brevet sur une locomotive a vapeur , invente un indicateur de pression de la vapeur dans le cylindre et, en 1788, une valve de puissance pour laquelle il reprend ensuite l'idee de Boulton d'employer un regulateur centrifuge pour rendre la vitesse constante independamment des variations de la production de vapeur et des sollicitations de puissance en sortie. Il introduit aussi une nouvelle unite de mesure de la puissance, le cheval-vapeur .

Certains lui reprocheront d'avoir freine le developpement des systemes a haute pression fonctionnant par l'expansion de la vapeur, auxquels il ne croit pas, mais qui sont prones par d'autres inventeurs comme Jonathan Hornblower , et qui doivent attendre l'expiration des brevets en 1800, apres leur prolongation en 1782. Ce dernier met au point, en 1781, un double cylindre combine ou 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 equivaut a un systeme a double action. Mais son invention reste experimentale, sans application possible du fait des brevets de James Watt, et il faut attendre les apports de Richard Trevithick et de Arthur Woolf en 1803 pour la voir emerger. Combine a un nouveau type de condenseur concu par Edmond Cartwright qui enveloppe le cylindre et l'apparition des chaudieres produisant de la vapeur a haute pression, cela permet la fabrication de machines compactes et puissantes, necessaires a une utilisation mobile.

L'ingenieur des mines Richard Trevithick met au point, entre 1797 et 1799, une machine a vapeur haute pression en supprimant le condenseur, avec echappement dans l'atmosphere, ce qui augmente la puissance mais aussi le risque d'explosion. Ces machines deviennent plus compactes et plus simples. Portatives, elles peuvent etre installees sur des bateaux, dans des fermes pour battre le ble, dans des moulins ou de petites fabriques ^{[ 5 ]} . Trevithick oriente rapidement ses machines routieres (des locomotives sur route) vers le rail, compte tenu de leur poids et de l'etat des routes. Il construit la premiere locomotive a vapeur sur rails en 1803, la faisant rouler en 1804. Elle peut ≪?remorquer un train de wagons charge de 10 tonnes de fer et de 70 hommes , parcourant 14? km en quatre heures et cinq minutes ^{[ 6 ]} .?≫

A la fin du XVII ^e ?siecle, les activites minieres commencent a etre gravement entravees par des problemes d'inondations. A la suite des recherches scientifiques de Torricelli et Pascal , plusieurs tentatives d'utilisation de la pression atmospherique, pour extraire l'eau des mines, ont ete realisees. Le moteur Savery, clairement inspire des investigations scientifiques de l'epoque, peut etre considere comme le premier effort reussi dans ce sens. Le moteur est developpe dans la periode 1695-1702. Sans aucun doute, l'importance historique du moteur Savery reside davantage dans la demonstration des potentialites generales de l'utilisation de la puissance a vapeur que dans ses applications pratiques, meme si certains de ces moteurs continuent a etre effectivement utilises pendant plusieurs annees ^{[ 7 ]} .

Ensuite, la machine a vapeur parvient a occuper une place centrale dans l'histoire economique de la revolution industrielle europeenne. Aujourd'hui, il est generalement admis que les recits traditionnels du processus d'industrialisation tels que ceux de Rostow (1960) et des Landes (1969) ont tendance a confondre l'importance economique de la machine a vapeur avec sa diffusion precoce, en considerant la diffusion rapide et efficace de cette technologie comme preuve de son importance economique pour l’Europe. Cette vision est aujourd’hui parfois critiquee par certains et jugee incomplete dans le sens ou elle ne tient compte que du deploiement des machines a vapeur, au detriment d’aspects tout aussi importants comme le contexte social de l’epoque et le besoin de l’industrie de se developper et de trouver de nouvelles methodes pour ameliorer les rendements, vu la demande qui ne cesse de croitre ^{[ 8 ]} .

L'application industrielle de la machine a vapeur de James Watt (presentee ci-dessus) commence a partir de 1775, apres que James Watt s'est associe avec Matthew Boulton. Leur demarche de commercialisation est de faire contrat avec un client equipe d'une machine ancienne et de financer le remplacement par une machine de Watt. Watt brevette plusieurs autres inventions comme la machine rotative et surtout la machine a double effet (1783), dans laquelle le cylindre recoit la vapeur alternativement par le bas et par le haut, ainsi qu'un regulateur a boules ou centrifuge (1788) assurant une vitesse constante au moteur ^{[ 8 ]} .

La machine a vapeur est ainsi en mesure de remplacer les moteurs hydrauliques, pour l'entrainement d'outils industriels.

Leur deploiement eclair est le resultat d’un melange de plusieurs parametres sociaux et historiques?: au XVII ^e ?siecle, les prouesses et les decouvertes scientifiques et physiques sont de plus en plus importantes et frequentes, ce qui cause le developpement rapide de plusieurs technologies ayant pour but d’ameliorer le train de vie de la population?; leurs applications a l’industrie ont comme objectif d’augmenter les performances a moindre cout. La machine a vapeur s’inscrit alors dans ce cadre comme une technologie de pointe pour l’epoque, capable de multiplier les performances des usines. L’adoption et l’approbation de la machine a vapeur par une grande partie de la population peut aussi expliquer ce deploiement rapide, grace notamment au train a vapeur, dont le nombre d’usagers augmente d’une maniere exponentielle ^{[ 7 ]} .

Le developpement de ces machines est donc extremement rapide?: 496 machines a vapeur Boulton ^{[ 7 ]} et Watt sont en service en Grande-Bretagne en 1800. Le developpement de la machine a vapeur est alors l'une des raisons de la precocite economique britannique. En 1830, le Royaume-Uni possede 15?000 de ces machines, la France 3?000 et la Prusse 1?000. La France reste a la traine dans ce domaine?: en 1880, elle ne possede que 500?000?chevaux-vapeur installes contre deux millions au Royaume-Uni et 1,7 million en Allemagne.

• Propulsion de navire
  • Sous-marins militaires
  • Navires militaires
  • Aide au transport marchand (brise-glace)
  • Transport marchand (ULCC)

• Entrainement de machines tournantes
  • Pompes
    • Pompes centrifuges
  • Compresseurs
    • Compresseurs a pistons
    • Compresseurs centrifuges
• Generation d'energie sur un reseau
  • Entrainement de turbo alternateurs
    • Centrales industrielles
    • Centrales thermiques
    • Centrales solaires /biomasse
    • Centrale nucleaire
    • Reseau electrique de navire
  • Cogeneration
  • Cycles combinees

La vapeur en sortie de machine qui va dans un reseau vapeur est superieur a la pression atmospherique .

La vapeur en sortie de machine va dans un condenseur a eau ou a air et la pression est inferieure a la pression atmospherique.

Avec des variantes selon?:

• La vapeur sort par un ou plusieurs etages intermediaires ( soutirage, extraction ou prelevement )
• De la vapeur est reinjectee dans un etage intermediaire ( injection )

• Petite machine, P < 1 MW
• Moyenne machine, 1 MW < P < 50 MW
• Grande machine, P > 50 MW

• Basse pression, < 1 bar
• Moyenne pression, 1 bar < pression de fonctionnement < 30 bar
• Haute pression, > 30 bar

C'est la maniere dont l'energie de la vapeur va etre transferee a l' arbre .

• Action avec roue simple: la detente a lieu dans la partie fixe de la machine ( tuyere ), la pression est identique des deux cotes des aubes du rotor, ce qui induit une poussee axiale nulle
• Action avec roue multietagee: identique a l'action avec une roue simple mais avec un rotor multietagee, la poussee axiale est faible
• Reaction, les aubes du rotor ont une forme qui permet d'utiliser la difference de pression entre les deux cotes afin d'augmenter le moment de rotation du rotor

• Besoin de variation de vitesse
• Besoin de consommation d'energie fatale (en trop par rapport aux besoins du procede)
• Besoin de generer un reseau de vapeur sans detente avec une vanne
• Possibilite de creer de la vapeur haute pression a faible cout
• Besoin de puissance tres grande (>400MW)
• Besoin source d'energie non electrique
• Standardisation parc machine
• Modifier le bilan carbone d'une usine

Le deploiement des machines a vapeur accelere la mecanisation de l’agriculture et, par consequent, l’exode rural, ce qui, par contrecoup, cree une main-d'œuvre plus qualifiee employable par le secteur industriel.

En utilisant le nombre de machines a vapeur installees en 1800 comme indicateur synthetique du changement technologique et des statistiques professionnelles pour mesurer les competences professionnelles, une correlation positive est etablie entre l'utilisation de machines a vapeur et la part de travailleurs qualifies au niveau des comtes. La variation exogene dans les strates de roches carboniferes (contenant du charbon pour alimenter les moteurs) montre que l'effet etait causal ^{[ 10 ]} .

Si le changement technologique stimule la formation de competences professionnelles, il a un effet globalement neutre sur la formation de l'enseignement primaire, reflete par les taux d'alphabetisation et de scolarisation , qui n’augmentent pas specialement pendant cette epoque.?L’effet ambigu de la revolution industrielle sur la formation du capital humain etaye le discours selon lequel l’industrialisation precoce de l’Angleterre a un effet neutre sur l’enseignement primaire, voire lui nuit. Cela provoque un manque de developpement de l'education, dans le sens ou la societe a un interet plus important dans les nouvelles opportunites que l’industrie offre, en impulsant la formation des competences professionnelles formelles au detriment de l’enseignement classique. Mais les effets observes montrent egalement que les debuts de l'industrie stimulent la formation de competences professionnelles formelles, en particulier celles specifiques a l'industrie ^{[ 11 ]} .

Les machines a vapeur permettent de simplifier des processus d’extraction et de fabrication.

Un premier exemple est l’extraction du charbon. Ce processus est simplifie et son rendement augmente par l’instauration de machine a vapeur, ce qui a une influence directe sur la baisse du prix du charbon au XVII ^e ?siecle ^{[ 7 ]} .

L’industrie textile est aussi touchee par les progres dus a l’instauration de la machine a vapeur, qui permettent de faire fonctionner de nouvelles machines a tisser et favorisent l'activite en atelier. Les fabriques et les manufactures se developpent ainsi considerablement, provoquant la ruine des artisans et des entreprises familiales. Tous ces progres permettent un essor et une productivite sans precedent pour l’industrie du coton. En meme temps, la machine a vapeur se developpe de plus en plus au sein des industries et remplace peu a peu l’energie hydraulique.

La metallurgie connait egalement des progres importants, tels que le remplacement du bois par le charbon dans la fonte au coke, ou plus generalement comme combustible ^{[ 11 ]} .

Par l'intermediaire d'un systeme de tiroir de distribution, ouvrant et fermant des lumieres, la vapeur d'eau sous pression est envoyee a une extremite d'un cylindre , ou elle pousse un piston . Ce dernier entraine la bielle qui est articulee dessus et fixee sur le volant d' inertie en un point excentre 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'echappement. Quand le piston arrive au bout du cylindre, la biellette repousse le tiroir?:

• dans le cas du cylindre simple effet, le tiroir referme la lumiere d'entree de la vapeur et du meme cote ouvre une autre lumiere pour laisser s'echapper la vapeur contenue dans le cylindre. Le volant, par l' energie cinetique accumulee, continue de tourner, repoussant ainsi le piston au point de depart?;
• dans un cylindre a double effet, le tiroir ouvre, en plus, une lumiere d'admission pour la vapeur de l'autre cote, elle repousse le piston qui continue sa poussee sur le volant.

Sur ce volant, on place une courroie etablissant une liaison elastique avec la poulie d'entree d'une machine transformant ce mouvement en un travail specifique. Pour etre utilisable industriellement, cette energie doit le plus souvent etre regulee, afin que la vitesse de rotation ne depende ni des aleas de la chauffe, ni surtout de la sollicitation de puissance en sortie. C'est la qu'intervient le regulateur centrifuge mis au point par James Watt , qui agit directement sur la vanne par laquelle la vapeur arrive de la chaudiere .

Avec la generalisation de son emploi, la machine a vapeur connait une serie de perfectionnements destines a ameliorer son efficacite et sa puissance, en utilisant les pressions de plus en plus importantes fournies par les chaudieres .

La double action inventee par Watt devient d'emploi general, elle permet un gain important de puissance en eliminant la phase ou le piston se comporte comme un frein, celui-ci devenant moteur a l'aller comme au retour. Sur les moteurs fonctionnant par l'expansion de la vapeur, il est pousse alternativement par les deux chambres d'expansion qu'il delimite. Le systeme d'alimentation a tiroir a alors pour role de declencher soit l'alimentation, soit l'echappement pour les deux chambres.

L'arrivee et l'echappement de la vapeur des deux cotes du cylindre sont commandees par le tiroir de distribution ( 6 ). Le piston est relie a la crosse qui, par l'intermediaire de la bielle motrice, transforme le mouvement de va-et-vient en mouvement circulaire. Ce mouvement est transmis a toutes les roues motrices grace aux bielles d'accouplement. Le reglage du tiroir de distribution pour inverser la marche s'effectue au moyen du volant de commande de la vis de changement de marche ( 8 ) qui se trouve dans la cabine de conduite.

Travail de la distribution (modele de distribution Walschaerts )

Au cours du XIX ^e ?siecle, la pression disponible a la sortie des chaudieres augmentant, on finit par utiliser plusieurs cylindres de taille croissante, dans lesquels la vapeur passe successivement au fur et a mesure de sa detente . On voit ainsi d'abord les machines a double expansion comme les locomotives compound , puis celles a triple expansion comportant respectivement deux et trois cylindres denommes cylindre a haute, moyenne et basse pression. L'expansion multiple permet une amelioration significative du rendement des moteurs a vapeur et de l'autonomie des navires.

Les deux ou trois cylindres entrainent un arbre moteur commun?; une variante comporte deux cylindres a basse pression, les quatre cylindres etant alors arranges dans une configuration en V.

Les machines a expansion multiple sont parfois appelees moteur a pilon.

L'ingenieur ecossais William McNaught  (en) brevette un moteur a double effet en 1845. Sur le cylindre d'une machine de type Boulton & Watt , il branche un cylindre a haute pression, comprime par l'autre extremite du balancier, ou l'on fixe normalement la pompe d'eau a actionner. Il en resulte deux effets importants?: la force sur le balancier est considerablement reduite et la conduite de vapeur d'eau, par sa longueur, fait fonction d'enceinte d'expansion, element manquant dans les machines Woolf ^{[ 12 ]} . Il devient ainsi possible de modifier les machines Watt apres-coup, et les machines ainsi modifiees sont dites McNaughted . Les avantages du moteur compose ne deviennent sensibles que pour des pressions superieures a 7 bars .

Afin d'ameliorer le rendement il faut que la source froide soit a une temperature et une pression la plus basse possible, ce qui est realise en ramenant l'eau a son etat liquide par condensation ^{[ 13 ]} . Cette technologie du condenseur est particulierement importante dans les applications navales et ferroviaires, car elle permet de reutiliser l'essentiel de l'eau par condensation de la vapeur apres utilisation dans les cylindres, evitant ainsi d'avoir a emporter de grandes reserves d'eau, comme les reservoirs qui existent sur les installations fixes. L'inconvenient de cette technique est le poids et l'encombrement du condenseur. Les tenders a condenseurs sont surtout utilises sur des lignes ferroviaires ou l'eau est rare ou la distance a parcourir sans arret importante.

Inventee par Charles Dallery vers 1780, la chaudiere tubulaire a des tubes pleins d’eau chauffes exterieurement par les gaz brulants de la chaudiere ^{[ 14 ]} .

En 1824, Marc Seguin choisit de chauffer les tubes par l’interieur, l'eau etant autour de ceux-ci, multipliant ainsi par six la puissance du moteur. La chaudiere tubulaire de Marc Seguin, concue a l'origine pour equiper un bateau de halage sur le Rhone, trouve sa premiere application pratique sur la locomotive a vapeur qu'il utilise sur le chemin de fer de Saint-Etienne a Lyon ^{[ 15 ]} .

Invente par Jacob Perkins en 1827, ce modele se caracterise par l'emploi de soupapes et d' arbre a cames , tout comme les moteurs a explosion, pour la circulation de vapeur?: il presente l'avantage d'eviter de faire passer la vapeur chaude et celle detendue par le meme emplacement, et aussi d'etre plus econome en vapeur.

Du fait que la lumiere d'echappement se trouve en fin de course, le piston a flot unique ( uniflow ) doit recompresser la vapeur residuelle du cylindre, avec une perte correspondant au defaut de reversibilite. De plus, la recompression de la vapeur residuelle fait restriction a l'ecoulement initial de vapeur dans le cylindre, alors que la troncature de la course au point bas raccourcit le cycle de detente.

C'est une variante issue des recherches recentes sur la Quasiturbine .

Un des problemes du moteur a vapeur est d'alimenter la chaudiere en eau neuve. Les methodes traditionnelles font appel soit a un reservoir place en hauteur, soit a une pompe entrainee par le moteur. Henri Giffard invente en 1858 un injecteur actionne par la vapeur, sans piece mobile ni perte d'energie (l'energie de la vapeur est integralement recuperee dans l'eau d'admission).

• Adolphe Spineux, De la distribution de la vapeur dans les machines. Etude rationnelle des distributeurs, suivie d'une etude des volants et des regulateurs , Liege/Paris, Librairie polytechnique de J. Baudry, 1869.
• (en) Richard L. Hills , Power from steam?: a history of the stationary steam engine , Cambridge, Cambridge University Press , 1989 , 338? p. ( ISBN  0-521-34356-9 )
• Francois Jarrige , Dompter Promethee?: Technologies et socialismes a l'age romantique (1820-1870) , Besancon , Presses universitaires de Franche-Comte , 2016 , 288? p. ( ISBN  978-2-84867-801-6 et 978-2-84867-560-2 , ISSN  2967-8080 , DOI  10.4000/BOOKS.PUFC.22364 )   .

• (de) Die Dampfmaschine: So begann der Stromboom , sur 1-stromvergleich.com?: animation interactive a telecharger

• Notices dans des dictionnaires ou encyclopedies generalistes   ?:

  • Britannica
  • Den Store Danske Encyklopædi
  • Dictionnaire historique de la Suisse
  • Gran Enciclopedia Catalana
  • Nationalencyklopedin
  • Store norske leksikon
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