LES MACHINES A FEU
Ou quelques propos
sur les chaudières et les machines à vapeur
Pourquoi chaudières
et machines à vapeur ?
On
ne parle souvent que de machines à vapeur et la partie chaudière est sous
entendue, mais il est utile de bien faire la distinction car elles sont
indissociables et le rendement global dépend des qualités et perfectionnements
de chacune d’elles. C’est une invention dont les évolutions les plus marquantes
datent du XVIIIème siècle. On
peut les qualifier de moteur thermique à combustion
externe qui transforme l’énergie thermique que possède la vapeur d’eau fournie
par une ou plusieurs chaudières en énergie mécanique.
Quelques principes
En
1824, Sadi Carnot, dans un mémoire fondateur (Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres
à développer cette puissance) énonce un principe qui va devenir une des
bases de la thermodynamique générale ou énergétique :
« La
puissance motrice de la chaleur est indépendante des agents mis en œuvre pour
la réaliser : sa quantité est fixée uniquement par les températures des
corps entre lesquels se fait en dernier résultat le transport du
calorique. »
Les
machines à feu regroupent donc les machines à vapeur d’eau et celles où l’on
cherche à remplacer l’eau par un autre liquide ou même par un gaz dont la force
d’expansion est empruntée à la chaleur. Les machines à gaz, après Carnot
connaîtront le succès que l’on sait avec le développement des moteurs à
combustion interne (type diesel) et des moteurs à explosion où les mélanges de
gaz et d’air formés en dehors du moteur sont introduits dans le cylindre et
allumés à un moment déterminé.
On
peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la
chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en
équilibre.
Dans
un système thermodynamique typique, la chaleur se déplace du chaud
(évaporateur) vers le froid (condenseur) et le travail est extrait.
Le
fonctionnement d’une machine à vapeur peut être modélisé par un cycle de
Rankine.
-
Vaporisation
A→B à pression constante P1 du fluide dans le bouilleur.
-
Détente
isentropique B→C de la vapeur juste saturante dans la turbine calorifugée (lors de cette étape, de
l’énergie est fournie sous forme de travail à l’extérieur de la machine),
jusqu’à P2<P1.
-
Condensation
totale C→M à pression constante P2 dans le condenseur.
-
Compression
isentropique M→D du liquide juste saturant au départ, de P2 à P1, dans la
pompe calorifugée.
-
Echauffement
D→A à pression constante P1.
Un peu d’Histoire
On
peut considérer l’Eolipyle de Héron d’Alexandrie (1er
siècle av J.C.) comme la première application d’une machine à vapeur d’eau,
même si son utilité pratique est faible. Il faut plus la considérer comme un
modèle de laboratoire mettant en évidence un phénomène.
A
l’époque cela devait tout de même être impressionnant !
Ce
n’est qu’au XVIIème siècle que réapparaît l’idée d’utiliser la
puissance de la vapeur d’eau.
Courant
1601, Giovanni Battista della
Porta puis Salomon de Caus en 1615 décrit une pompe permettant de chasser l’eau
d’un récipient.
En 1629, Giovanni Branea envisage des moulins mûs par la
vapeur, l’année suivante David Ramseye dépose un brevet pour une pompe
entrainée par une machine à feu. Edward Somerset améliore le projet de Caus en
1663 en équipant la chambre à vapeur d’un refroidisseur. Début 1698, Thomas
Savery dépose un brevet d’une pompe fonctionnant à la vapeur, inspirée
des travaux de Somerset et destinée à l’exploitation minière. Le concept est
perfectionné en collaboration avec Thomas Newcomen en prenant en compte
les travaux de Denis Papin qui avait eu l’idée du piston pour récupérer la
puissance de la vapeur.
Ces pompes fonctionnent en produisant un vide dans une
chambre fermée où l’on fait se condenser la vapeur grâce à un jet d’eau. Les
vannes d’admission et d’échappement, d’abord à commande manuelle sont
automatisées par Henry Reighton en 1718. Ces pompes deviennent rapidement
courantes dans toutes les mines humides d’Europe. Elles restent cependant très
coûteuses à exploiter car le cylindre doit être réchauffé avant chaque
admission de vapeur.
A
gauche : Machine de Thomas Savery et à droite celle de Thomas Newcomen.
Au
cours de l’année 1763, l’écossais James Watt cherche à améliorer la
machine de Newcomen ; Tout d’abord en 1765 par la création d’une chambre
de condensation pour la vapeur séparée par une soupape (brevet en 1769) puis en
1781 il met au point le système mécanique permettant de créer un mouvement de
rotation à partir du mouvement rectiligne du piston. Cela va lui permettre 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 s’en trouve augmentée
considérablement.
Machine de James Watt
Des
améliorations sont apportées telles un indicateur de pression de la vapeur dans
le cylindre, une soupape de puissance (1788) avec un régulateur centrifuge pour
rendre la puissance produite constante (en collaboration avec M. Boulton).
Mais
les brevets déposés par J. Watt freinent le développement des systèmes à haute
pression et il faut attendre 1803 pour que A.
Woolf, sur les bases des travaux de J.
Hornblower (1781), ne mette au point le système à double expansion ou
compound (composé) qui sera combiné par E.
Cartwright à un nouveau type de condenseur enveloppant le cylindre. Dans le
même temps, l’amélioration des chaudières offre des pressions de vapeur plus élevées.
Tout cela va permettre de passer à une phase industrielle et de concevoir des
machines compactes et puissantes nécessaires à une utilisation mobile.
Principes et
fonctionnement des machines à combustion externe
Les
chaudières à vapeur
Les
premières chaudières ne sont en fait que des bouilloires. Elles sont
construites en cuivre ou en fer à basse teneur en carbone et les plaques sont
rivetées. Les fuites sont fréquentes mais peu graves car la pression est
faible. Par contre le rendement est catastrophique et la consommation de
charbon énorme.
Ainsi
la pression effective de la vapeur alimentant le Savannah, un des premiers navires à roue en 1819 était de
0,07kg/cm².
A
noter que la pression effective est
égale à la pression absolue moins la pression atmosphérique et que l’on a pour
habitude de dire que le timbre de la
chaudière est égal à la pression effective que la dite chaudière peut supporter
sans déformation et qui ne doit pas être dépassée.
Vers
1825, apparaissent les chaudières à tubes foyer dans lesquelles les
fumées circulent au travers de buses rectangulaires immergées dans la chambre
d’eau. En 1827, Marc Seguin et George Stephenson réalisent la première
chaudière à tubes de fumée où de nombreux tubes traversés par les fumées sont immergés dans l’eau. Elle
va peu à peu supplanter le modèle à tubes foyers. Autour de 1850, la chaudière Belleville à tubes d’eau (ou aquatubulaire)
est introduite (elle avait été inventée par l’anglais Gurnay en 1827 mais était restée sans application) et dans celle-ci
l’eau circule dans de nombreux tubes. Le rendement et la mise en chauffe s’en
trouvent nettement améliorés. La société Babcock
& Wilcox suivra peu après.
En
1855, le français Gustave Hirn
invente le premier surchauffeur de vapeur. Vers 1880,
sur les premières machines à vapeur compound équipées d’un condenseur à
surface, la pression s’élève à près de 2,8 kg/cm². A cette époque, les
surchauffeurs installés au dessus des tubes de fumée
permettent d’assécher la vapeur et une économie de combustible. Début 1882, on
teste des ventilateurs pour forcer le tirage afin d’atteindre de plus hautes
températures de foyer et une meilleure combustion du charbon. Une plus haute
température des gaz augmente le transfert de chaleur et permet de réduire la
taille des chaudières à puissance égale.
Autour
de 1870, les premières chaudières en acier apparaissent et vont finir par se
généraliser avec des pressions de 7 kg/cm² environ. L’épaisseur des tôles se
réduit et permet des gains de masse. Vers 1874, certaines chaudières à tubes
d’eau atteignent 10,5 kg/cm² et en 1877, pour renforcer les chaudières,
apparaissent les foyers ondulés (Chaudières
Scotch) brevetées par Samson Fox.
Les
problèmes de corrosion dus aux effets du suif et autres substances graisseuses
qui se décomposent pour former des acides gras sont résolus par l’installation
de séparateurs de graisse sur le circuit de condensation et par l’utilisation
d’huiles minérales. Le tartre peut également provoquer des surchauffes locales
du métal.
A
la fin du XIXème siècle, la faible taille des navires de guerre
rapides (torpilleurs et contre-torpilleurs) ne permet pas l’utilisation de
grosses chaudières ; Celles à tubes d’eau sont la solution. Yarrow, Thornycroft, Babcock &
Wilcox, Le Normand et Du Temple sont des constructeurs qui
vont devenir des leaders dans ce secteur pour des décennies.
En
1917, les problèmes de corrosion importants sont résolus en adoptant une
alimentation en circuit fermé (Système Weir)
et l’utilisation d’un réchauffeur améliore le rendement.
Jusqu’au
1er conflit mondial, le charbon brut ou en brique (poussier
aggloméré) est le combustible. Mais en 1914 les USA adoptent le fioul pour tous
leurs futurs bâtiments de guerre. Peu à peu la conversion s’opère et après 1918
l’Amirauté britannique adopte également le fioul pour ses futures unités. Des
chaudières mixtes charbon/fioul sont mises au point (Chaudières Prud’hon Capus et Howden-Johnson).
Dans
les années 1930, des chaudières Howden-Johnson à tubes d’eau atteignent 30
kg/cm² et une température de surchauffe de 385° C.
En
1939, 40% de la flotte marchande mondiale s’alimente encore au charbon avec
souvent des machines à triple expansion.
Mais
les Liberty ships
construits durant la guerre en grande série ont deux chaudières Babcock & Wilcox du type à gros tube
d’eau timbrées à 15,5 kg/cm² alimentées au fioul.
Ci-dessus :
Vues en coupe d’une des 32 chaudières Prud’Hon
Capus en service à bord du paquebot Ile de France en 1927. Elles étaient
timbrées à 16 bars.
Ci-dessus : Le
même type de chaudière en fabrication. On voit derrière les tubes d’eau deux
des trois tubes foyer.
A gauche : Vue en
coupe d’une chaudière Howden-Johnson
de 1935, timbrée à 15 bars avec une température de vapeur de
En
1960, le paquebot France (CGT) est équipé
de huit chaudières Penhoët P41
timbrées à 71,5 kg/cm² et en 1970, au Japon, Kawasaki Industries construit des chaudières marines avec une
pression de 100 kg/cm² et une température de 521° C.
Ces
caractéristiques ne seront plus dépassées et marquent l’ultime développement du
concept de machines à feu à combustion externe. Petit à petit, dans la marine
marchande la vapeur est remplacée par les moteurs diesel et les turbines à gaz
alors que dans les forces navales cette mutation s’est opérée déjà depuis quelques
décennies.
Une
exception toutefois à signaler : le cas des chaufferies nucléaires omniprésentes
pour la propulsion des sous-marins des grandes puissances nucléaires. Elles
sont utilisées également pour les porte-avions (US Navy
et Marine Nationale), des croiseurs, des destroyers et quelques brise-glaces
russes. L'intérêt pour les sous-marins tient au fonctionnement anaérobie de la
chaudière et plus généralement pour tous les bâtiments utilisant cette énergie
à l’autonomie hors norme (jusqu’à 15 ans). La technologie utilisée consiste en
un réacteur à eau pressurisé (REP ou PWR chez les anglo-saxons) fonctionnant
avec de l'uranium faiblement enrichi (isotope 235). En France, depuis les
premières études au début des années 1950, les développements menés par le CEA
ont conduit à une plus grande compacité et sécurité pour aboutir à la
génération actuelle de réacteur type K15.
Schéma
d'implantation d'une chaufferie nucléaire compacte dans un SNLE-NG type Le Triomphant
Les
machines alternatives
Ces
machines, dont le principe d’exploitation de l’énergie transmise par la vapeur
a été initié par Denis Papin et abouti par James Watt, sont les plus anciennes.
Ainsi
la vapeur d’eau sous pression, produite par une chaudière ou un générateur, est
envoyée par l’intermédiaire d’un système de tiroir de distribution, ouvrant et
fermant des lumières, à une extrémité d’un cylindre où elle pousse un piston.
Ce dernier entraine la bielle qui est articulée dessus ; elle est fixée
aussi sur le volant d’inertie en un point excentré 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’échappement. Quand le piston arrive au
bout de sa course dans le cylindre, la biellette repousse le tiroir.
-
Au
début, le cylindre est à simple effet : le tiroir referme la lumière
d’admission de la vapeur et du même côté ouvre une lumière pour laisser
échapper la vapeur contenue dans le cylindre. Le volant par l’énergie cinétique
accumulée continue de tourner repoussant ainsi le piston à sa position
initiale.
-
Ensuite
le cylindre est devenu 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 sur le volant.
Sur
ce volant, une courroie transmet le mouvement à une machine, le transformant en
travail spécifique.
Schéma d’une machine alternative à triple expansion
Toute
une série de perfectionnements destinés à améliorer l’efficacité et la
puissance de la machine à vapeur va apparaître, utilisant les pressions de plus
en plus importantes fournies par les chaudières.
Ainsi
dans le courant du XIXème siècle, on en vient à utiliser plusieurs
cylindres de taille croissante où la vapeur passe successivement au fur et à
mesure de sa détente. Les machines à double expansion ou compound puis celles à
triple expansion comportant respectivement deux et trois cylindres, dénommés
cylindres à haute, moyenne et basse pression, font leur apparition. Mais des
variantes sont possibles et certaines machines comportent deux cylindres à
basse pression, les quatre cylindres étant alors disposés dans une
configuration en V.
Cette
technologie est particulièrement importante dans les applications navales et
ferroviaires car elle permet de réutiliser la plupart de l’eau contenue dans la
vapeur, évitant d’avoir à emporter de grandes réserves à la différence des
installations fixes où les réservoirs ne sont pas un problème.
Une
évolution sera le modèle Uni flow
caractérisé comme sur les moteurs à explosion par l’emploi de soupapes et
arbres à cames pour la circulation de la vapeur. L’avantage réside seulement
dans la séparation du circuit vapeur chaude et vapeur détendue.
Machines
à turbine
Dans
la deuxième moitié du XIXème siècle, un nouveau type de machine va
voir le jour, moins compliqué, moins lourd et encombrant que le modèle
alternatif. Basé sur le principe que l’on peut transformer directement
l’énergie en mouvement de rotation (principe de l’Eolipyle), en 1853, l’ingénieur des mines M. Tournaire démontra la possibilité de réaliser une turbine à vapeur
basé sur l’effet de réaction. Début 1884, Charles
Algernon Parsons construit un premier modèle d’une puissance de 6 CV. Dix
ans plus tard, le suédois de Laval réalise une turbine à réaction industrielle.
En 1890, aux Etats-Unis, Charles Curtiss
met au point des turbines à action plus compactes avec un assez bon rendement. Courant
1901, l’ingénieur Auguste Rateau
conçoit la première turbine multicellulaire, combinant action pour la haute
pression et réaction pour les moyennes et basses pressions.
A gauche : Turbine à réaction
Parsons et à droite Turbine à action De Laval
On distingue deux catégories de
turbines :
- Les turbines à action ou impulsion
Dans ce type de turbine, la vapeur se
détend complètement depuis la pression de la chaudière jusqu’à celle du
condenseur en acquérant une très grande vitesse. L’action directe de la vapeur
sur chaque ailette à son passage devant la buse distributrice donne à la roue une
série d’impulsions génératrices d’un couple moteur.
- Les turbines à réaction
Dans ce type, la détente de la vapeur
s’effectue en deux temps : de P à P’ dans le distributeur fixe où la
vapeur va acquérir une certaine vitesse. Cette vitesse agit sur les ailettes
par action directe comme sur la turbine à action. Puis de P’ à P’’ dans l’aube
mobile dont les ailettes réalisent entre elles des passages en forme de tuyère.
Cette nouvelle détente va donner à la vapeur qui entre dans l’aube une vitesse
relative de sortie supérieure à sa vitesse d’entrée. Il se produit alors un
phénomène de répulsion ou de réaction sur l’aube, de sens inverse au sens de
sortie de la vapeur.
Le
premier navire à utiliser la turbine est le Turbinia
en 1893. Ce yacht de
Le Turbinia
Dix années séparent
le Turbinia et le Mauretania,
tous les deux sont mûs par des turbines Parsons.
Progressivement
les turbines, Parsons notamment,
remplacent les machines alternatives sur les paquebots et sur les unités de
l'Amirauté ; Le steamer King Edward
en 1901, les paquebots Victorian et Virginian (Allen Lines) en 1905, le HMS
Dreadnought en 1906 et les Mauretania
et Lusitania de
Vers
1909, des chantiers navals réalisent des systèmes hybrides où des turbines
exploitent la vapeur basse pression d'une machine alternative au lieu de passer
directement dans le condenseur.
Les
turbines présentent l'avantage d'être souples et silencieuses et d’offrir un
bien meilleur rapport poids/puissance en comparaison des machines alternatives.
En contrepartie elles n’offrent pas la réversibilité pour la marche arrière et
leur plein rendement n'est obtenu qu'aux grandes vitesses de rotation, ce qui
va obliger d'intercaler des réducteurs avant d'attaquer les arbres d'hélice.
Peu à peu ces réducteurs vont être plus performants : engrenage hélicoïdal
simple puis double et aussi qualité des dentures.
Certaines
unités sont construites avec des turbines à réaction placées en série (2, 3
voire 4 turbines). Sur ces turbines à 'chute de pression' la détente totale est
divisée en autant de parties que de turbines. Fin 1910, le France est le premier paquebot de
Au
fil des années, la puissance des turbines n'a cessé de croître pour atteindre
240.000 CV sur quatre hélices pour le United State en
1952 et 280.000 CV sur les porte-avions nucléaires de l'US Navy en service
actuellement.
Malgré
les avantages qu'elle présente, la turbine à vapeur qui a continué d'être
installé jusqu'au seuil des années 1990 sur les pétroliers (où l'importance de
la salle des machines est secondaire par rapport à la taille du navire) a cédé
la place aux moteurs diesel sur les cargos dès l'après la guerre et sur les paquebots
dans les années 1970, voire aujourd'hui au tandem turbines à gaz/nacelles
électriques tandis que la turbine à gaz, associée ou non au diesel, assure la
propulsion de la plupart des unités importantes des marines militaires (En
raison de sa rapidité de mise en action et de sa puissance).
Rotor d'une turbine
à vapeur Alstom
Vestiges et épaves
du fond des mers
En
quoi tout ce qui précède peut-il intéresser un plongeur ?
Hormis
le facteur culturel qui peut être la motivation de tous, ces connaissances
peuvent s'avérer utiles au plongeur amateur d'épaves qui souhaite aller au delà
du simple plaisir visuel de la vieille tôle. On constate que bien souvent l'ensemble
de l'appareil propulsif d'un bâtiment est le dernier vestige à perdurer sur le
site d'un naufrage (si bien entendu les ferrailleurs n'en ont pas fait leur
affaire !). Donc, même si vous n’êtes pas un féru de mécanique, lorsque se
présenteront à vous ces cylindres de chaudières et de condenseur, ces bielles
et arbres de machines, j’espère que vous vous laisserez prendre au jeu et
tenterez d’imaginer toute cette machinerie encore en action avec ses
mécaniciens, ses chauffeurs et ses soutiers baignant eux dans une atmosphère
surchauffée et moite pleine de suies et de cambouis.
En
conclusion, si la vulgarisation qui précède peut engendrer une approche
différente de certaines plongées, c'est bien là l'essentiel.
Epave du Prophète Cavalaire
(Var)
Une des deux chaudières de l'Espingole et les fameuses briques de charbon