Machine à vapeur

Une machine à vapeur change la chaleur d'un foyer en mouvement en se servant de la vapeur pour mouvoir un piston. La machine de Thomas Newcomen, en 1712, pompait l'eau des mines, et les perfectionnements de James Watt à partir de 1765 rendirent la vapeur assez économique pour faire tourner les usines de la révolution industrielle.

Ce que c’est

Une machine à vapeur se sert de la vapeur d’eau bouillante pour pousser un piston, et transforme ainsi un combustible en travail mécanique. Les premières pompaient l’eau des mines ; les suivantes ont entraîné filatures et machines, et propulsé navires et locomotives.

La machine de la planche est du type construit par Thomas Newcomen en 1712. On l’appelle machine atmosphérique, car le travail est fourni par la pression de l’air extérieur ; la vapeur ne sert qu’à faire le vide. Sa chaudière travaille à peine au-dessus de la pression atmosphérique et risque donc beaucoup moins d’éclater que les chaudières à haute pression du XIXe siècle.

Comment ça marche

La machine s’organise autour d’un cylindre vertical, ouvert en haut, qui contient un piston. Celui-ci pend par une chaîne à une extrémité d’un grand balancier de bois, qui oscille sur le mur de la maison des machines. À l’autre extrémité pendent les tiges de pompe, qui descendent dans le puits jusqu’aux pompes du fond de la mine.

L’éolipyle de Héron d’Alexandrie, au Ier siècle, tournait sous l’effet de jets de vapeur sans fournir de travail utile.

Les lourdes tiges de pompe tirent leur extrémité du balancier vers le bas, ce qui soulève le piston, et la vapeur de la chaudière placée dessous remplit le cylindre. Une soupape coupe la vapeur. Un jet d’eau froide venu du réservoir est pulvérisé dans le cylindre : la vapeur se condense aussitôt en un peu d’eau et laisse un vide partiel. L’air au-dessus du piston appuie alors plus fort que la vapeur raréfiée restée dessous. Sur un cylindre d’un demi-mètre de diamètre, cette différence de pression peut atteindre en théorie une vingtaine de kilonewtons, le poids de deux tonnes ; la force utile restait bien inférieure. Le piston descend, le balancier bascule et les tiges remontent en tirant l’eau de la mine.

Sur les machines de Watt, plus tardives, les boules du régulateur s’écartent quand la machine accélère et referment en partie l’admission de vapeur.

Quand la vapeur revient, elle chasse l’air par une petite soupape reniflante, tandis que l’eau condensée s’écoule par un tuyau séparé muni d’un clapet. Le cycle recommence une douzaine de fois par minute. Une tige à taquets suspendue au balancier ouvre et ferme les robinets toute seule.

À chaque coup, le jet froid refroidit le cylindre, que la vapeur suivante doit réchauffer avant de pouvoir le remplir. La plus grande partie du charbon part dans ce réchauffage.

La solution de James Watt consiste à condenser la vapeur dans un récipient séparé, maintenu froid, pendant que le cylindre reste chaud. Il ferme ensuite le haut du cylindre, fait agir la vapeur des deux côtés du piston et ajoute des engrenages pour obtenir un mouvement de rotation : la machine peut alors entraîner des ateliers entiers, et plus seulement des pompes.

Comment la fabriquer

Une machine atmosphérique demande un chaudronnier, un fondeur capable de couler et d’aléser un cylindre, un charpentier pour le balancier et un maçon pour le bâtiment.

Faire la chaudière. Autrefois, c’était une enveloppe rivetée de cuivre ou de fer forgé à dessus bombé, maçonnée au-dessus d’une grille de foyer, avec une soupape de sûreté à poids, des robinets pour contrôler le niveau d’eau et un tuyau d’alimentation. Une reconstitution en état de marche exige une chaudière conçue, éprouvée et inspectée par un chaudronnier qualifié ; n’en improvisez jamais.

Couler et aléser le cylindre. Le cylindre se trouve juste au-dessus de la chaudière, porté par de fortes poutres prises dans les murs, et ne lui est relié que par un court tuyau de vapeur. Son alésage doit être rond et lisse sur toute sa longueur, sinon le piston fuit ; aléser juste fut l’un des problèmes les plus difficiles du XVIIIe siècle.

Monter le piston. Garnissez son pourtour de corde ou de cuir et maintenez dessus une mince couche d’eau pour l’étanchéité.

Dresser le balancier. Taillez-le dans le chêne, avec à chaque bout un secteur courbe pour que les chaînes tirent bien à la verticale. Posez son axe central sur un mur épais.

Installer les soupapes. L’une admet la vapeur, une autre pulvérise l’eau froide d’un réservoir placé en hauteur ; une soupape reniflante évacue l’air, et un tuyau muni d’un clapet draine l’eau condensée. Manœuvrez-les d’abord à la main, puis par des taquets fixés sur une tige pendue au balancier.

Sécurité. Une chaudière dont la soupape de sûreté est bloquée, coincée ou surchargée peut exploser : n’obstruez ni n’isolez jamais la voie de décharge, et n’ajoutez jamais de poids sur la soupape. La vapeur et l’eau chaude brûlent gravement. Tenez-vous loin du balancier, des chaînes et des tiges de pompe pendant la marche, et clôturez le puits.

Histoire et évolution

Héron d’Alexandrie décrit au Ier siècle une sphère que font tourner des jets de vapeur, mais elle reste une curiosité. En 1690, Denis Papin montre que la condensation de la vapeur sous un piston peut soulever un poids. Thomas Savery fait breveter en 1698 une pompe sans piston : elle aspire l’eau en condensant de la vapeur dans un récipient, puis la refoule plus haut par la pression de la vapeur, mais ne convient qu’à des hauteurs modestes.

L’engrenage « soleil et planète » de Watt, en 1781, transforme le va-et-vient du balancier en rotation.

Newcomen, quincaillier de Dartmouth, et son associé John Calley installent la première machine en service en 1712, dans une houillère près du château de Dudley. Comme le brevet de Savery couvre l’élévation de l’eau par le feu, les machines de Newcomen sont construites sous ce brevet jusqu’à son expiration en 1733. À la mort de Newcomen, en 1729, plus d’une centaine fonctionnent en Grande-Bretagne et en Europe.

En 1763, James Watt, fabricant d’instruments à l’université de Glasgow, doit réparer un modèle réduit de machine Newcomen. Deux ans plus tard, il a l’idée du condenseur séparé, qu’il fait breveter en 1769. Avec Matthew Boulton, il commence à vendre des machines en 1776. Elles consomment environ quatre fois moins de combustible qu’une machine Newcomen de même puissance. Vers 1800, alors que le brevet de Watt expire, Richard Trevithick et d’autres se tournent vers la vapeur à haute pression pour construire des machines plus petites et plus légères, qui gagnent bientôt les rails et les navires.