Histoire de la machine à vapeur

Le premier moteur à vapeur rudimentaire connu et la première turbine à vapeur à réaction, l'éolienne, sont décrits par un mathématicien et ingénieur nommé Héron d'Alexandrie (Héron) dans l'Égypte romaine du 1er siècle, dans son manuscrit Spiritalia seu Pneumatica. La vapeur éjectée tangentiellement par des buses faisait tourner une boule pivotante. Son efficacité thermique était faible. Cela suggère que la conversion de la pression de la vapeur en mouvement mécanique était connue en Égypte romaine au 1er siècle. Héron a également conçu une machine qui utilisait l'air chauffé dans un feu d'autel pour déplacer une quantité d'eau d'un récipient fermé. Le poids de l'eau permettait de tirer une corde cachée pour actionner les portes du temple. Certains historiens ont confondu les deux inventions pour affirmer, à tort, que l'éolienne était capable de faire un travail utile.

Selon Guillaume de Malmesbury, en 1125, Reims abritait une église qui possédait un orgue alimenté par l'air s'échappant de la compression "par de l'eau chauffée", apparemment conçu et construit par le professeur Gerbertus.

Parmi les papiers de Léonard de Vinci datant de la fin du 15e siècle figure la conception d'un canon à vapeur appelé l'Architonnerre, qui fonctionne par l'afflux soudain d'eau chaude dans un canon scellé et chauffé au rouge.

Une turbine à vapeur à impact rudimentaire a été décrite en 1551 par Taqi al-Din, un philosophe, astronome et ingénieur de l'Égypte ottomane du XVIe siècle, qui a décrit une méthode pour faire tourner une broche au moyen d'un jet de vapeur jouant sur des aubes rotatives autour de la périphérie d'une roue. Un dispositif similaire pour faire tourner une broche a également été décrit plus tard par John Wilkins en 1648. Ces dispositifs étaient alors appelés "moulins" mais sont aujourd'hui connus sous le nom de vérins à vapeur. Une autre turbine à vapeur rudimentaire similaire est présentée par Giovanni Branca, un ingénieur italien, en 1629, pour faire tourner un dispositif d'échappement cylindrique qui soulevait et laissait tomber alternativement une paire de pilons travaillant dans des mortiers. Le flux de vapeur de ces premières turbines à vapeur n'était toutefois pas concentré et la majeure partie de son énergie était dissipée dans toutes les directions. Cela aurait entraîné un grand gaspillage d'énergie et leur utilisation industrielle n'a donc jamais été sérieusement envisagée.

En 1605, la mathématicienne française Florence Rivault a écrit dans son traité sur l'artillerie qu'elle avait découvert que l'eau, si elle était confinée dans une bombe et chauffée, ferait exploser les obus.

En 1606, l'Espagnol Jerónimo de Ayanz y Beaumont a démontré et obtenu un brevet pour une pompe à eau fonctionnant à la vapeur. Cette pompe a été utilisée avec succès pour drainer les mines inondées de Guadalcanal, en Espagne.

Denis Papin (22 août 1647 - c. 1712) était un physicien, mathématicien et inventeur français, surtout connu pour son invention pionnière du digesteur à vapeur, l'ancêtre de la cocotte-minute. Au milieu des années 1670, Papin a collaboré avec le physicien néerlandais Christiaan Huygens sur un moteur qui chassait l'air d'un cylindre en faisant exploser de la poudre à canon à l'intérieur. Se rendant compte de l'incomplétude du vide produit par ce moyen et s'installant en Angleterre en 1680, Papin conçoit une version du même cylindre qui permet d'obtenir un vide plus complet en faisant bouillir de l'eau et en laissant ensuite la vapeur se condenser ; de cette manière, il peut soulever des poids en attachant l'extrémité du piston à une corde passant sur une poulie. En tant que modèle de démonstration, le système fonctionnait, mais pour pouvoir répéter le processus, il fallait démonter et remonter l'ensemble de l'appareil. Papin a rapidement compris que pour réaliser un cycle automatique, la vapeur devrait être générée séparément dans une chaudière ; il n'a cependant pas poussé le projet plus loin. Papin a également conçu un bateau à aubes actionné par un jet jouant sur la roue d'un moulin, en combinant les conceptions de Taqi al Din et de Savery, et on lui attribue également un certain nombre de dispositifs importants tels que la soupape de sécurité. Les années de recherche de Papin sur les problèmes d'exploitation de la vapeur devaient jouer un rôle clé dans le développement des premiers moteurs industriels à succès qui suivirent sa mort.

La première machine à vapeur à être appliquée industriellement est la "machine à feu" ou "Miner's Friend", conçue par Thomas Savery en 1698. Il s'agissait d'une pompe à vapeur sans piston, similaire à celle développée par Worcester. Savery a apporté deux contributions essentielles qui ont considérablement amélioré l'aspect pratique de la conception. Tout d'abord, afin de permettre à l'alimentation en eau d'être placée sous le moteur, il a utilisé la vapeur condensée pour produire un vide partiel dans le réservoir de pompage (le baril dans l'exemple de Worcester) et l'utiliser pour tirer l'eau vers le haut. Deuxièmement, afin de refroidir rapidement la vapeur pour produire le vide, il a fait couler de l'eau froide sur le réservoir.

Le fonctionnement nécessitait plusieurs vannes ; lorsque le réservoir était vide au début d'un cycle, une vanne était ouverte pour laisser entrer la vapeur. La vanne était fermée pour sceller le réservoir et la vanne d'eau de refroidissement était ouverte pour condenser la vapeur et créer un vide partiel. Une vanne d'alimentation était ouverte, tirant l'eau vers le haut dans le réservoir, et le moteur typique pouvait tirer l'eau jusqu'à 20 pieds. Le moteur typique pouvait tirer de l'eau jusqu'à 6 mètres. Cette vanne était fermée et la vanne de vapeur rouverte, créant une pression sur l'eau et la pompant vers le haut, comme dans le modèle Worcester. Le cycle a essentiellement doublé la distance sur laquelle l'eau pouvait être pompée pour une pression de vapeur donnée, et les exemples de production ont fait monter l'eau d'environ 40 pieds.

Le moteur de Savery a résolu un problème qui n'était devenu sérieux que récemment : faire remonter l'eau des mines du sud de l'Angleterre à mesure qu'elles atteignaient des profondeurs plus importantes. Le moteur de Savery était un peu moins efficace que celui de Newcomen, mais cela était compensé par le fait que la pompe séparée utilisée par le moteur de Newcomen était inefficace, ce qui donnait aux deux moteurs à peu près le même rendement de 6 millions de livres-pieds par boisseau de charbon (moins de 1%). Le moteur Savery n'était pas non plus très sûr car une partie de son cycle nécessitait de la vapeur sous pression fournie par une chaudière, et étant donné la technologie de l'époque, le récipient sous pression ne pouvait pas être suffisamment solide et était donc sujet à l'explosion. L'explosion d'une de ses pompes à Broad Waters (près de Wednesbury), vers 1705, marque probablement la fin des tentatives d'exploitation de son invention.

Le moteur Savery était moins cher que celui de Newcomen et était produit en plus petite taille. Certains constructeurs ont fabriqué des versions améliorées du moteur Savery jusqu'à la fin du 18ème siècle. Bento de Moura Portugal, FRS, a introduit une amélioration ingénieuse de la construction de Savery "pour le rendre capable de fonctionner lui-même", comme décrit par John Smeaton dans les Philosophical Transactions publiées en 1751.

C'est Thomas Newcomen qui, avec son "moteur atmosphérique" de 1712, a rassemblé la plupart des éléments essentiels établis par Papin afin de développer la première machine à vapeur pratique pour laquelle il pouvait y avoir une demande commerciale. Cette machine se présentait sous la forme d'un moteur à poutre alternatif installé au niveau de la surface et entraînant une succession de pompes à une extrémité de la poutre. Le moteur, attaché par des chaînes à l'autre extrémité de la poutre, fonctionnait sur le principe de l'atmosphère ou du vide.

La conception de Newcomen utilisait certains éléments de concepts antérieurs. Comme le concept de Savery, le moteur de Newcomen utilisait la vapeur, refroidie par l'eau, pour créer un vide. Cependant, contrairement à la pompe de Savery, Newcomen utilisait le vide pour tirer sur un piston au lieu de tirer directement sur l'eau. L'extrémité supérieure du cylindre était ouverte à la pression atmosphérique, et lorsque le vide se formait, la pression atmosphérique au-dessus du piston le poussait vers le bas dans le cylindre. Le piston était lubrifié et étanchéifié par un filet d'eau provenant de la même citerne qui fournissait l'eau de refroidissement. De plus, pour améliorer l'effet de refroidissement, il pulvérisait de l'eau directement dans le cylindre.

Le piston était attaché par une chaîne à une grande poutre pivotante. Lorsque le piston tirait sur la poutre, l'autre côté de la poutre était tiré vers le haut. Cette extrémité était attachée à une tige qui tirait sur une série de poignées de pompe conventionnelles dans la mine. À la fin de cette course motrice, la soupape à vapeur était rouverte et le poids des tiges de la pompe tirait la poutre vers le bas, soulevant le piston et attirant à nouveau la vapeur dans le cylindre.

L'utilisation du piston et de la poutre permettait au moteur Newcomen d'alimenter des pompes à différents niveaux dans toute la mine, tout en éliminant le besoin de vapeur à haute pression. L'ensemble du système était isolé dans un seul bâtiment à la surface. Bien qu'inefficaces et extrêmement gourmands en charbon (par rapport aux moteurs ultérieurs), ces moteurs ont permis de soulever des volumes d'eau bien plus importants et à des profondeurs bien plus grandes que ce qui avait été possible auparavant. Plus de 100 moteurs Newcomen étaient installés en Angleterre en 1735, et on estime qu'il y en avait jusqu'à 2 000 en service en 1800 (y compris les versions de Watt).

John Smeaton a apporté de nombreuses améliorations au moteur Newcomen, notamment aux joints, et en les améliorant, il a pu presque tripler leur efficacité. Il a également préféré utiliser des roues plutôt que des poutres pour transférer la puissance du cylindre, ce qui a rendu ses moteurs plus compacts. Smeaton fut le premier à développer une théorie rigoureuse de la conception et du fonctionnement des moteurs à vapeur. Il a travaillé à rebours à partir du rôle prévu pour calculer la quantité de puissance nécessaire à la tâche, la taille et la vitesse du cylindre qui la fournirait, la taille de la chaudière nécessaire pour l'alimenter et la quantité de combustible qu'elle consommerait. Il les a développées de manière empirique après avoir étudié des dizaines de moteurs Newcomen en Cornouailles et à Newcastle, et construit son propre moteur expérimental chez lui à Austhorpe en 1770. Au moment de l'introduction du moteur de Watt, quelques années plus tard, Smeaton avait construit des dizaines de moteurs de plus en plus grands atteignant les 100 chevaux.

Alors qu'il travaillait à l'université de Glasgow en tant que fabricant et réparateur d'instruments en 1759, James Watt fut initié à la puissance de la vapeur par le professeur John Robison. Fasciné, Watt se mit à lire tout ce qu'il pouvait sur le sujet, et développa indépendamment le concept de chaleur latente, qui n'avait été publié que récemment par Joseph Black à la même université. Lorsque Watt apprit que l'université possédait un petit modèle fonctionnel d'un moteur Newcomen, il fit pression pour qu'il soit ramené de Londres où il était réparé sans succès. Watt a réparé la machine, mais a constaté qu'elle était à peine fonctionnelle même une fois entièrement réparée.

Après avoir travaillé sur la conception, Watt a conclu que 80 % de la vapeur utilisée par le moteur était gaspillée. Au lieu de fournir une force motrice, elle était utilisée pour chauffer le cylindre. Dans la conception de Newcomen, chaque course motrice était amorcée par un jet d'eau froide, qui non seulement condensait la vapeur, mais refroidissait également les parois du cylindre. Cette chaleur devait être remplacée avant que le cylindre n'accepte à nouveau la vapeur. Dans le moteur Newcomen, la chaleur n'était fournie que par la vapeur, de sorte que lorsque la soupape de vapeur était rouverte, la grande majorité de la vapeur se condensait sur les parois froides dès qu'elle était admise dans le cylindre. Il fallait beaucoup de temps et de vapeur pour que le cylindre se réchauffe à nouveau et que la vapeur commence à le remplir.

Watt a résolu le problème de l'eau pulvérisée en évacuant l'eau froide vers un autre cylindre, placé à côté du cylindre moteur. Une fois la course d'induction terminée, une vanne était ouverte entre les deux, et toute vapeur qui entrait dans le cylindre se condensait dans ce cylindre froid. Cela créait un vide qui attirait davantage de vapeur dans le cylindre, et ainsi de suite jusqu'à ce que la vapeur soit en grande partie condensée. La soupape était alors fermée et le fonctionnement du cylindre principal continuait comme sur un moteur Newcomen conventionnel. Comme le cylindre moteur restait à la température opérationnelle tout au long du processus, le système était prêt pour une nouvelle course dès que le piston était ramené vers le haut. Le maintien de la température était assuré par une chemise entourant le cylindre et dans laquelle la vapeur était admise. Watt a produit un modèle fonctionnel en 1765.

Convaincu qu'il s'agissait d'une grande avancée, Watt a conclu des partenariats pour fournir du capital-risque pendant qu'il travaillait sur la conception. Non content de cette seule amélioration, Watt travailla sans relâche à une série d'autres améliorations de pratiquement toutes les parties du moteur. Watt a encore amélioré le système en ajoutant une petite pompe à vide pour aspirer la vapeur du cylindre vers le condensateur, améliorant encore les temps de cycle. Un changement plus radical par rapport à la conception de Newcomen consistait à fermer le haut du cylindre et à introduire de la vapeur à basse pression au-dessus du piston. Désormais, la puissance n'était pas due à la différence entre la pression atmosphérique et le vide, mais à la pression de la vapeur et du vide, une valeur légèrement supérieure. Lors de la course de retour vers le haut, la vapeur sur le dessus était transférée par un tuyau vers le dessous du piston, prête à être condensée pour la course vers le bas. L'étanchéité du piston sur un moteur Newcomen avait été obtenue en maintenant une petite quantité d'eau sur sa face supérieure. Cela n'était plus possible dans le moteur de Watt en raison de la présence de la vapeur. Watt a déployé des efforts considérables pour trouver un joint qui fonctionne, finalement obtenu en utilisant un mélange de suif et d'huile. La tige du piston passait également à travers un presse-étoupe sur le couvercle supérieur du cylindre, scellé de manière similaire.

Le problème d'étanchéité du piston était dû au fait qu'il n'y avait aucun moyen de produire un cylindre suffisamment rond. Watt a essayé de faire percer des cylindres en fonte, mais ils étaient trop ovalisés. Watt a été contraint d'utiliser un cylindre en fer martelé. La citation suivante est tirée de Roe (1916) :

" Lorsque [John] Smeaton a vu le moteur pour la première fois, il a rapporté à la Société des ingénieurs que " ni les outils ni les ouvriers n'existaient qui pouvaient fabriquer une machine aussi complexe avec une précision suffisante ". "

Watt a finalement considéré que la conception était suffisamment bonne pour être publiée en 1774, et le moteur Watt a été mis sur le marché. Comme certaines parties de la conception pouvaient être facilement adaptées aux moteurs Newcomen existants, il n'était pas nécessaire de construire un moteur entièrement nouveau dans les mines. Au lieu de cela, Watt et son partenaire commercial Matthew Boulton ont concédé une licence pour les améliorations apportées aux opérateurs de moteurs, en leur faisant payer une partie de l'argent qu'ils économiseraient en réduisant les coûts de carburant. Le concept a connu un grand succès, et la société Boulton and Watt a été créée pour concéder des licences sur le concept et aider les nouveaux fabricants à construire les moteurs. Les deux hommes ouvriront plus tard la fonderie de Soho pour produire leurs propres moteurs.

En 1774, John Wilkinson invente une aléseuse dont l'arbre portant l'outil d'alésage est soutenu aux deux extrémités et traverse le cylindre, contrairement aux aléseuses en porte-à-faux utilisées à l'époque. Avec cette machine, il a pu aléser avec succès le cylindre du premier moteur commercial de Boulton et Watt en 1776.

Watt n'a jamais cessé d'améliorer ses conceptions. Il a encore amélioré la vitesse du cycle de fonctionnement, a introduit des régulateurs, des soupapes automatiques, des pistons à double effet, une variété de prises de force rotatives et de nombreuses autres améliorations. La technologie de Watt a permis la généralisation de l'utilisation commerciale des moteurs à vapeur stationnaires.

Humphrey Gainsborough a produit un modèle de moteur à vapeur à condensation dans les années 1760, qu'il a montré à Richard Lovell Edgeworth, membre de la Lunar Society. Gainsborough pensait que Watt avait utilisé ses idées pour cette invention ; cependant, James Watt n'était pas membre de la Lunar Society à cette époque et ses nombreux récits expliquant la succession de processus de pensée menant à la conception finale tendraient à démentir cette histoire.

La puissance était toujours limitée par la faible pression, la cylindrée du cylindre, les taux de combustion et d'évaporation et la capacité du condenseur. Le rendement théorique maximum était limité par le différentiel de température relativement faible de part et d'autre du piston ; cela signifiait que pour qu'un moteur Watt fournisse une quantité de puissance utilisable, les premiers moteurs de production devaient être très grands, et étaient donc coûteux à construire et à installer.

Watt a développé un moteur à double effet dans lequel la vapeur entraînait le piston dans les deux sens, augmentant ainsi la vitesse et le rendement du moteur. Le principe du double effet augmentait également de manière significative la puissance d'un moteur de taille donnée.

Boulton et Watt ont développé le moteur à mouvement alternatif pour en faire un moteur rotatif. Contrairement au moteur Newcomen, le moteur Watt pouvait fonctionner de manière suffisamment souple pour être relié à un arbre d'entraînement - via des engrenages solaires et planétaires - afin de fournir une puissance rotative avec des cylindres de condensation à double effet. Le premier exemplaire a été construit en tant que démonstrateur et a été installé dans l'usine de Boulton pour faire fonctionner des machines pour le rodage (polissage) de boutons ou autres. Pour cette raison, il a toujours été connu sous le nom de "Lap Engine". Dans les premières machines à vapeur, le piston est généralement relié par une tige à une poutre équilibrée, plutôt que directement à un volant, et ces moteurs sont donc connus comme des moteurs à poutre.

Les premières machines à vapeur n'offraient pas une vitesse suffisamment constante pour les opérations critiques telles que le filage du coton. Pour contrôler la vitesse, le moteur était utilisé pour pomper de l'eau pour une roue hydraulique, qui alimentait les machines.

Vers 1811, Richard Trevithick a dû mettre à jour un moteur de pompage Watt afin de l'adapter à l'une de ses nouvelles grandes chaudières cylindriques Cornish. Lorsque Trevithick partit pour l'Amérique du Sud en 1816, ses améliorations furent poursuivies par William Sims. Parallèlement, Arthur Woolf a développé un moteur composé à deux cylindres, de sorte que la vapeur se détend dans un cylindre à haute pression avant d'être libérée dans un cylindre à basse pression. L'efficacité a encore été améliorée par Samuel Groase, qui a isolé la chaudière, le moteur et les tuyaux.

La pression de la vapeur au-dessus du piston a été augmentée pour atteindre 40 psi (0,28 MPa) ou même 50 psi (0,34 MPa) et fournit désormais une grande partie de la puissance pour la course descendante ; en même temps, la condensation a été améliorée. L'efficacité s'en trouve considérablement améliorée et d'autres moteurs de pompage sur le système Cornish (souvent connus sous le nom de moteurs Cornish) ont continué à être construits tout au long du 19e siècle. Les moteurs Watt plus anciens ont été mis en conformité.

L'adoption de ces améliorations cornouaillaises a été lente dans les régions de fabrication de textiles où le charbon était bon marché, en raison du coût d'investissement plus élevé des moteurs et de l'usure plus importante qu'ils subissaient. Le changement n'a commencé que dans les années 1830, généralement par compoundage en ajoutant un autre cylindre (haute pression).

Une autre limite des premières machines à vapeur était la variabilité de la vitesse, ce qui les rendait inadaptées à de nombreuses applications textiles, notamment la filature. Afin d'obtenir des vitesses régulières, les premières usines textiles à vapeur utilisaient le moteur à vapeur pour pomper l'eau vers une roue hydraulique, qui entraînait les machines.

Un grand nombre de ces moteurs ont été fournis dans le monde entier et ont assuré un service fiable et efficace pendant de très nombreuses années, avec une consommation de charbon considérablement réduite. Certaines d'entre elles étaient très grandes et ce type de machine a continué à être construit jusque dans les années 1890.

Le moteur uniflow était le type le plus efficace de moteur à haute pression. Il a été inventé en 1911 et a été utilisé dans les navires, mais a été remplacé par les turbines à vapeur et plus tard par les moteurs diesel marins.

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