La vapeur a été le moteur de la majeure partie de la révolution industrielle au Royaume-Uni et aux États-Unis. Il permettait aux passagers des navires à vapeur et des voyageurs ferroviaires de voyager à travers le monde en quatre-vingts jours, à la fin des années 1800, tout en stimulant le développement des transports et de l’industrialisation dans de nombreuses régions du monde.

Comprendre
Alors que les pèlerinages et les voyages éducatifs tels que le Grand Tour ont été établies avant l’âge de la vapeur, il était des véhicules à vapeur qui ont fait Voyage plaisir, et fait du tourisme récréatif possible, permettant aux gens communs à visiter à proximité des villes et stations balnéaires, la classe moyenne à traverser le continent, et les plus riches à voyager à travers le monde. Les Grand Old Hotels retracent généralement leur histoire à l’ère de la vapeur.

La plupart des moteurs à vapeur alternatifs ont été remplacés par des moteurs à combustion interne ou des moteurs électriques au cours du 20ème siècle, en particulier au cours des décennies qui ont suivi la Seconde Guerre mondiale. Le nombre de trains à vapeur a fortement chuté, en raison à la fois de la généralisation généralisée du diesel ou de l’électrification du service ferroviaire existant et du remplacement du trafic ferroviaire par le trafic routier. Les turbines à vapeur restent d’usage courant pour quelques applications, telles que la production d’énergie électrique. Les locomotives à vapeur ont longtemps été mises en réserve, même dans les pays occidentaux, en raison de leur capacité à fonctionner avec pratiquement tous les types de carburant, mais beaucoup ont été vendues à des passionnés ou mises au rebut dans les années 2000 et 2010.

Machine à vapeur
Premières expériences
Le premier « moteur » à vapeur rudimentaire enregistré était l’aeolipile décrit par Hero of Alexandria, mathématicien et ingénieur en Egypte romaine au premier siècle de notre ère. Au cours des siècles suivants, les rares « moteurs » à vapeur connus étaient, comme l’aeolipile, des dispositifs essentiellement expérimentaux utilisés par les inventeurs pour démontrer les propriétés de la vapeur. Taqi al-Din en Egypte ottomane en 1551 et en Italie en 1629, Giovanni Branca en Italie, décrivent un appareil rudimentaire à turbine à vapeur. Jerónimo de Ayanz et Beaumont obtint en 1606 le brevet de 50 inventions à vapeur, dont une pompe à eau pour le drainage des mines inondées. Denis Papin, un réfugié huguenot, travailla utilement au digesteur à vapeur en 1679 et utilisa un piston pour soulever des poids en 1690.

Moteurs de pompage
Le premier dispositif commercial à vapeur était une pompe à eau, développée en 1698 par Thomas Savery. Il utilisait de la vapeur de condensation pour créer un vide qui soulevait l’eau par le bas, puis une pression de vapeur pour le faire monter plus haut. Les petits moteurs étaient efficaces, mais les modèles plus grands posaient problème. Ils avaient une hauteur de levage limitée et étaient sujets aux explosions de chaudières. Le moteur de Savery était utilisé dans les mines, les stations de pompage et l’approvisionnement en eau des roues hydrauliques actionnant les machines textiles. Savery était de coût abordable. Bento de Moura Portugal a introduit une amélioration de la construction de Savery « pour la rendre capable de fonctionner elle-même », comme décrit par John Smeaton dans Philosophical Transactions publié en 1751. Il a continué à être fabriqué jusqu’à la fin du XVIIIe siècle. On savait encore qu’un moteur fonctionnait en 1820.

Moteurs à vapeur à piston
Le premier moteur à succès commercial capable de transmettre une puissance continue à une machine est le moteur atmosphérique inventé par Thomas Newcomen vers 1712. Il améliore la pompe à vapeur de Savery, utilisant un piston proposé par Papin. Le moteur de Newcomen était relativement inefficace et principalement utilisé pour pomper de l’eau. Cela fonctionnait en créant un vide partiel en condensant la vapeur sous un piston dans un cylindre. Il était utilisé pour assécher les travaux de mine à des profondeurs jusque-là impossibles et pour fournir de l’eau réutilisable pour faire fonctionner les roues hydrauliques dans des usines situées à l’écart d’une « tête » appropriée. L’eau qui passait sur la roue était pompée dans un réservoir de stockage au-dessus de la roue.

En 1720, Jacob Leupold décrivit un moteur à vapeur à deux cylindres à haute pression. L’invention a été publiée dans son ouvrage principal « Theatri Machinarum Hydraulicarum ». Le moteur utilisait deux pistons lourds pour déplacer une pompe à eau. Chaque piston a été soulevé par la pression de vapeur et est revenu à sa position initiale par gravité. Les deux pistons partageaient une vanne rotative commune à quatre voies connectée directement à une chaudière à vapeur.

La prochaine étape majeure fut celle où James Watt (1763-1775) développa une version améliorée du moteur de Newcomen, avec un condenseur séparé. Les premiers moteurs de Boulton et Watt utilisaient deux fois moins de charbon que la version améliorée de John Smeaton du Newcomen. Les premiers moteurs de Newcomen et de Watt étaient « atmosphériques ». Ils étaient alimentés par la pression atmosphérique poussant un piston dans le vide partiel généré par la vapeur de condensation, au lieu de la pression de vapeur en expansion. Les cylindres du moteur devaient être volumineux car la seule force utilisable agissant sur eux était la pression atmosphérique.

Watt développa encore son moteur, le modifiant pour fournir un mouvement de rotation adapté à la conduite de machines. Cela a permis de placer les usines à l’écart des rivières et d’accélérer le rythme de la révolution industrielle.

Moteurs à haute pression
La signification de la haute pression, associée à une valeur réelle supérieure à la température ambiante, dépend de l’époque à laquelle le terme a été utilisé. Pour utiliser tôt le terme, Van Reimsdijk fait référence à une pression de vapeur suffisamment élevée pour qu’elle puisse être évacuée dans l’atmosphère sans faire appel au vide pour pouvoir effectuer un travail utile. Ewing 1894, p. 22 indique que les moteurs à condensation de Watt étaient connus à l’époque comme étant à basse pression par rapport aux moteurs à haute pression sans condensation de la même période.

Le brevet de Watt empêchait d’autres fabricants de fabriquer des moteurs à haute pression et à mélange. Peu de temps après l’expiration du brevet de Watt en 1800, Richard Trevithick et, séparément, Oliver Evans introduisirent en 1801 des moteurs utilisant de la vapeur à haute pression. Trevithick obtint son brevet de moteur haute pression en 1802 et Evans avait déjà fabriqué plusieurs modèles en état de marche. Celles-ci étaient beaucoup plus puissantes pour une cylindrée donnée que les moteurs précédents et pouvaient être suffisamment petites pour les applications de transport. Par la suite, les développements technologiques et les améliorations des techniques de fabrication (dus en partie à l’adoption de la machine à vapeur) ont conduit à la conception de moteurs plus efficaces pouvant être plus petits, plus rapides ou plus puissants, en fonction de l’application envisagée.

Le moteur Cornish a été développé par Trevithick et d’autres dans les années 1810. C’était un moteur à cycle composé qui utilisait de la vapeur à haute pression de façon expansive, puis condensait la vapeur à basse pression, ce qui la rendait relativement efficace. Le moteur Cornish avait un mouvement et un couple irréguliers tout au long du cycle, le limitant principalement au pompage. Les moteurs de Cornouailles ont été utilisés dans les mines et pour l’approvisionnement en eau jusqu’à la fin du 19e siècle.

Moteur fixe horizontal
Les premiers constructeurs de moteurs à vapeur fixes estimaient que les cylindres horizontaux seraient sujets à une usure excessive. Leurs moteurs étaient donc disposés avec l’axe du piston vertical. Avec le temps, la disposition horizontale est devenue plus populaire, ce qui a permis d’installer des moteurs compacts mais puissants dans des espaces réduits.

L’acme du moteur horizontal était la machine à vapeur Corliss, brevetée en 1849, qui était un moteur à contre-courant à quatre soupapes avec des soupapes d’admission et d’échappement de vapeur séparées et une coupure automatique de la vapeur variable. Lors de la remise de la médaille Rumford à Corliss, le comité a déclaré qu ‘ »aucune invention depuis le temps de Watt n’a permis d’améliorer l’efficacité de la machine à vapeur ». En plus d’utiliser 30% de vapeur en moins, elle offre une vitesse plus uniforme en raison de la coupure variable de la vapeur, ce qui la rend bien adaptée à la fabrication, en particulier à la filature du coton.

Véhicules routiers
Les premiers véhicules à vapeur de route expérimentaux ont été construits à la fin du 18ème siècle, mais ce n’est qu’après que Richard Trevithick eut développé l’utilisation de la vapeur à haute pression, vers 1800, que les machines à vapeur mobiles sont devenues une proposition pratique. La conception des véhicules à vapeur a beaucoup progressé au cours de la première moitié du XIXe siècle. Dès les années 1850, il devenait viable de les produire sur une base commerciale. Ces progrès ont été freinés par une législation limitant ou interdisant l’utilisation de véhicules à vapeur sur les routes. L’amélioration de la technologie des véhicules s’est poursuivie des années 1860 aux années 1920. Les véhicules routiers à vapeur ont été utilisés pour de nombreuses applications. Au 20ème siècle, le développement rapide de la technologie des moteurs à combustion interne a entraîné la disparition de la machine à vapeur en tant que source de propulsion des véhicules sur une base commerciale, il en reste relativement peu après la seconde guerre mondiale. Un grand nombre de ces véhicules ont été acquis par des passionnés de conservation et de nombreux exemples existent encore. Dans les années 1960, les problèmes de pollution de l’air en Californie ont suscité une brève période d’intérêt pour le développement et l’étude des véhicules à vapeur comme moyen possible de réduire la pollution. Hormis l’intérêt des amateurs de vapeur, les répliques occasionnelles de véhicules et la technologie expérimentale, aucun véhicule à vapeur n’est actuellement en production. Dans les années 1960, les problèmes de pollution de l’air en Californie ont suscité une brève période d’intérêt pour le développement et l’étude des véhicules à vapeur comme moyen possible de réduire la pollution. Hormis l’intérêt des amateurs de vapeur, les répliques occasionnelles de véhicules et la technologie expérimentale, aucun véhicule à vapeur n’est actuellement en production. Dans les années 1960, les problèmes de pollution de l’air en Californie ont suscité une brève période d’intérêt pour le développement et l’étude des véhicules à vapeur comme moyen possible de réduire la pollution. Hormis l’intérêt des amateurs de vapeur, les répliques occasionnelles de véhicules et la technologie expérimentale, aucun véhicule à vapeur n’est actuellement en production.

Moteurs marins
Vers la fin du XIXe siècle, les moteurs à compoundage ont été généralisés. Les moteurs à combustion combinée évacuaient de la vapeur dans des cylindres de plus en plus grands afin de s’adapter aux volumes plus élevés à des pressions réduites, ce qui donnait un meilleur rendement. Ces étapes étaient appelées extensions, les moteurs à double et triple expansion étant courants, en particulier dans les transports maritimes où l’efficacité était essentielle pour réduire le poids du charbon transporté. Les moteurs à vapeur sont restés la principale source d’énergie jusqu’au début du XXe siècle, lorsque les progrès dans la conception de la turbine à vapeur, des moteurs électriques et des moteurs à combustion interne ont progressivement entraîné le remplacement des moteurs à vapeur à pistons (alternatifs), avec une expédition au XXe siècle. compter sur la turbine à vapeur.

Locomotives à vapeur
Alors que le développement des machines à vapeur progressait au cours du XVIIIe siècle, diverses tentatives ont été faites pour les appliquer à la route et au chemin de fer. En 1784, William Murdoch, un inventeur écossais, construisit un prototype de locomotive sur route à vapeur. Un des premiers modèles de locomotive à vapeur sur rail a été conçu et construit aux États-Unis par le pionnier du bateau à vapeur John Fitch, probablement dans les années 1780 ou 1790. Sa locomotive à vapeur utilisait des roues à aubes intérieures guidées par des rails ou des rails.

La première locomotive à vapeur de chemin de fer à grande échelle a été construite par Richard Trevithick au Royaume-Uni et, le 21 février 1804, le premier voyage ferroviaire au monde a eu lieu alors que la locomotive à vapeur sans nom de Trevithick tirait un train le long du tramway du Pen-y-darren la sidérurgie, près de Merthyr Tydfil à Abercynon dans le sud du Pays de Galles. La conception intégrait un certain nombre d’innovations importantes, notamment l’utilisation de vapeur à haute pression, qui réduisait le poids du moteur et augmentait son efficacité. Trevithick se rendit dans la région de Newcastle plus tard en 1804 et les chemins de fer du nord-est de l’Angleterre devinrent le principal centre d’expérimentation et de développement de locomotives à vapeur.

Trevithick poursuivit ses propres expériences en utilisant un trio de locomotives et se termina par la Catch Me Who Can en 1808. Quatre ans plus tard à peine, la locomotive à deux cylindres Salamanca de Matthew Murray avait été utilisée par Middleton Railway. En 1825, George Stephenson construisit la Locomotion pour les chemins de fer Stockton et Darlington. Ce fut le premier chemin de fer à vapeur public au monde, puis en 1829, il construisit le Rocket dans lequel il fut inscrit et qui remporta les essais de Rainhill. Les chemins de fer de Liverpool et de Manchester ont ouvert en 1830 en utilisant exclusivement l’énergie à vapeur pour les trains de voyageurs et de marchandises.

Les locomotives à vapeur ont continué à être fabriquées jusqu’à la fin du XXe siècle dans des endroits tels que la Chine et l’ancienne Allemagne de l’Est (où la classe DR 52.80 était produite).

Turbines à vapeur
La dernière évolution majeure de la conception du moteur à vapeur a été l’utilisation des turbines à vapeur à partir de la fin du XIXe siècle. Les turbines à vapeur sont généralement plus efficaces que les moteurs à vapeur à pistons alternatifs (pour des puissances supérieures à plusieurs centaines de chevaux), comportent moins de pièces mobiles et fournissent une puissance de rotation directement au lieu de passer par un système à bielle ou un moyen similaire. Les turbines à vapeur ont pratiquement remplacé les moteurs alternatifs dans les centrales électriques au début du XXe siècle, où leur efficacité, leur vitesse supérieure adaptée au service de la génératrice et leur rotation régulière étaient des avantages. Aujourd’hui, la majeure partie de l’énergie électrique est fournie par des turbines à vapeur. Aux États-Unis, 90% de l’énergie électrique est produite de cette manière en utilisant diverses sources de chaleur.

Développement actuel
Bien que l’utilisation commerciale du moteur à vapeur alternatif ne soit plus très répandue, diverses sociétés explorent ou exploitent le potentiel du moteur en tant qu’alternative aux moteurs à combustion interne. La société suédoise Energiprojekt AB a progressé dans l’utilisation de matériaux modernes pour exploiter la puissance de la vapeur. L’efficacité de la machine à vapeur d’Energiprojekt atteint environ 27-30% sur les moteurs haute pression. Il s’agit d’un moteur à 5 cylindres à un étage (sans mélange) à vapeur surchauffée qui consomme environ 4 kg (8,8 lb) de vapeur par kWh.

Chemins de fer à
vapeur Alors que la vapeur est perçue avec nostalgie ou même avec impatience le «bon vieux temps» dans des endroits où le dernier service de vapeur a eu lieu il y a quelques décennies, de nombreux pays en développement ou émergents voient dans l’existence de locomotives à vapeur le fait d’être «à l’envers» et gênants. . L’interdiction de la vapeur sur la ligne principale a été interdite en Allemagne de l’Ouest après le retrait des dernières locomotives à vapeur officielles. Des attitudes similaires prévalent aujourd’hui dans certains pays. Cela dit, sur les lignes marginales ou autrement abandonnées, on voit encore souvent de la vapeur et il arrive même que les billets soient majorés lorsque les locomotives à vapeur fonctionnent par rapport aux trains diesel «ordinaires».

Bateaux à vapeur, navires et bateaux
Avant l’adoption généralisée du transport aérien commercial au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, de puissants paquebots océaniques naviguaient sur les mers. Les Royal Mail Ships de l’époque RMS Titanic, cherchant à transporter les millionnaires de l’époque, se disputaient agressivement à la fois en vitesse et en luxe.

Sur les rivières intérieures telles que le Mississippi, le bateau à vapeur à roues à aubes distinctif était autrefois un spectacle courant. Quelques-uns fonctionnent toujours comme des restaurations historiques ou comme des répliques, des imitations de précision variable.

Le Canada
RMS Segwun, Gravenhurst est un navire à vapeur restauré et pleinement opérationnel. Construite en 1887, elle transportait à l’origine des vacanciers dans des chalets à Muskoka et livrait du fret et du courrier.
Le PS Trillium, à Toronto, est un bateau à vapeur à roue latérale qui a servi de traversier pour les îles de Toronto de 1910 à 1957. Elle a été restaurée et remise en service dans le système de traversiers de l’île de Toronto en 1976.

Angleterre
Un petit nombre de petits bateaux à vapeur continuent d’opérer à Windermere dans la région des lacs anglaise.

Bateau à
vapeur écossais Sir Walter Scott, Trossachs Pier, Loch Katrine, par Callander, Stirling.
Le PS Waverley est le dernier bateau à vapeur de haute mer au monde. Construit en 1946, il a navigué sur le Firth of Clyde pendant de nombreuses années. Depuis sa restauration, Waverley a organisé des excursions régulières durant l’été. La plupart naviguent au départ de la Clyde, mais il existe également des liaisons vers la côte ouest et les Hébrides d’Écosse, ainsi que autour du canal de Bristol, de la Tamise et de la côte sud de l’Angleterre.

États-Unis d’Amérique Le
Belle of Louisville, Louisville, Kentucky, est le plus ancien bateau à vapeur de style Mississippi et un monument historique national.
Ticonderoga, Shelburne (Vermont) est un bateau à vapeur qui a servi de traversier pour le lac Champlain jusqu’en 1969. Conservée et transportée par voie terrestre au musée de Shelburne, elle est maintenant ouverte aux visites.

Machines à vapeur statiques
La première utilisation de la vapeur à des fins industrielles pour l’industrie était le pompage (d’origine minière), mais les gros moteurs à vapeur deviennent plus tard la force motrice de tous les types de machines industrielles, du textile à l’approvisionnement en eau. Quelques villes (dont Otaru Japan, Vancouver Canada et Saint Helier Jersey) prétendent utiliser une horloge à vapeur – ou une horloge actionnant un sifflet à vapeur – comme point de repère local dans un point central du village.

Canada
Pump House and Steam Museum, Kingston (Ontario), ancienne station de pompage municipale à vapeur restaurée dans les années 1970

Angleterre
Kew Bridge, musée de la vapeur.
Musée de la vapeur de Bolton.
Musée de la vapeur industrielle de Forncett, Forncett St Mary, Norfolk, Angleterre NR16 1JJ, +44 1508 488277, ✉ [email protected].

Australie L’
île Cockatoo à Sydney abrite une grue à vapeur en état de fonctionnement qui servait autrefois à charger des bateaux.
Carrousels à vapeur, galopeurs et équipements de foire

Carrousel à vapeur des Pays-Bas , Efteling.

England
Carter’s est une fête foraine itinérante dont certains des équipements d’époque (notamment les Gallopers) sont à vapeur. Fonctionne de façon saisonnière, selon un horaire de tournée, les sites varient donc.

Moteurs de traction et voitures à vapeur

Angleterre
Hollycombe Steam Collection

Sécurité
Les moteurs à vapeur possèdent des chaudières et d’autres composants qui sont des appareils à pression contenant beaucoup d’énergie potentielle. Les émanations de vapeur et les explosions de chaudières (généralement des BLEVE) peuvent avoir causé dans le passé de nombreuses pertes en vies humaines. Bien que les normes varient d’un pays à l’autre, des procédures légales, des tests, une formation, une fabrication soignée, un fonctionnement et une certification rigoureux sont appliqués pour garantir la sécurité.

Les modes d’échec peuvent inclure:

surpression de la chaudière
insuffisance d’eau dans la chaudière provoquant une surchauffe et une défaillance de la cuve,
accumulation de sédiments et de tartre générant des points chauds locaux, en particulier dans les embarcations fluviales utilisant une
défaillance de la chaudière d’ alimentation en eau d’alimentation sous pression en raison d’une construction ou d’un entretien inadéquat
échappement de vapeur de la tuyauterie / de la chaudière provoquant des brûlures

Les moteurs à vapeur possèdent souvent deux mécanismes indépendants pour s’assurer que la pression dans la chaudière ne soit pas trop élevée; l’un peut être réglé par l’utilisateur, le second est généralement conçu comme un système de sécurité ultime. De telles vannes de sécurité utilisaient traditionnellement un simple levier pour retenir une vanne à boisseau au sommet d’une chaudière. Une extrémité du levier portait un poids ou un ressort qui retenait la soupape contre la pression de vapeur. Les soupapes précoces pouvaient être ajustées par les conducteurs de moteur, ce qui entraînait de nombreux accidents lorsqu’un conducteur fixait la soupape pour permettre une pression de vapeur supérieure et davantage de puissance du moteur. Le type plus récent de soupape de sécurité utilise une soupape à ressort réglable, qui est verrouillée de sorte que les opérateurs ne puissent pas modifier son réglage à moins qu’un joint ne soit brisé illégalement. Cet arrangement est considérablement plus sûr.

Des bouchons fusibles en plomb peuvent être présents dans la couronne de la chambre de combustion de la chaudière. Si le niveau d’eau baisse, de sorte que la température de la couronne de la chambre de combustion augmente de manière significative, le plomb fond et la vapeur s’échappe, en avertissant les opérateurs, qui peuvent alors supprimer manuellement l’incendie. Sauf dans les plus petites chaudières, l’évacuation de vapeur n’a que peu d’effet sur l’atténuation de l’incendie. Les bouchons sont également trop petits pour réduire la pression de vapeur de manière significative, ce qui dépressurise la chaudière. S’ils étaient plus gros, le volume de vapeur qui se dégagerait mettrait en danger l’équipage.