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 307°C. A droite : La même chaudière avec le carter arrière de la chambre de combustion retiré. On voit bien les tubes d’eau.

 

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 30 m de long pour 45 t est équipé de 3 turbines totalisant 2000 CV. Après des modifications pour résoudre des problèmes de cavitation d'hélice, le bateau atteint plus de 34 nœuds. Performances exceptionnelles pour l'époque. L'Amirauté va s'intéresser à ce type de machine à la suite de la démonstration que fit le Turbinia à la revue navale de Spithead le 26 juin 1897 devant pas moins de 165 vaisseaux réunis pour célébrer le soixantième anniversaire du règne de la Reine Victoria. Ce jour là, un navire de la Royal Navy envoyé pour l'intercepter se fit distancer et manqua couler, tellement le sillage du Turbinia était important.

 

 

           

 

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 la Cunard Lines en 1907 sont équipés de turbines Parsons à attaque directe (accouplées directement aux hélices).

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 la Compagnie Générale Transatlantique à être équipé de turbines Parsons à prise directe avec triple détente et quatre hélices ; Il affiche une puissance totale de 42.000CV.

 

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