Les machines à vapeur de Savery ou de Newcomen posaient le même problème de rendement et de continuité dans le mouvement. Au bout de quelques cycles de fonctionnement les machines s'arrêtaient. Il fallait les arrêter et les remettre en marche.

Afin d'améliorer la puissance et la régularité de sa machine à vapeur, James Watt eu l'idée de transformer ces machines "à simple effet" par des machines "à double effet" et d'y apporter certaines de ses inventions :

le volant
le régulateur à boules
le tiroir de distribution de la vapeur
le balancier avec son parallélogramme articulé
le condenseur externe

La machine de Watt exposée au musée

C'est en 1769 qu'il déposa un brevet pour sa nouvelle machine à vapeur. Il s'associa à l'industriel Boulton pour la fabriquer à grande échelle.

Le volant

Le volant a pour but de réguler la vitesse de fonctionnement de la machine. Si la machine tourne trop vite, le volant se met en rotation plus rapidement et accumule ainsi une partie de l'énergie.
Les frottements étant réduits, le volant poursuit son mouvement.
Il peut restituer à la machine son énergie cinétique, si sa vitesse de fonctionnement vient à diminuer.

Le volant ne suffit pas à réaliser à lui seul une vitesse uniforme de la machine. Il peut même acquérir une vitesse trop élevée si la machine tourne à vide. C'est pour cela que Watt rajouta à sa machine un régulateur.

Volant vue de face et en coupe

Le régulateur de Watt

Le régulateur, "flyball governor" en anglais est un dispositif permettant à la machine de régler elle-même sa vitesse de rotation. Cet appareil se compose de deux boules métalliques soutenues par deux tiges articulées autour d'un point fixe O au sommet de l'appareil. Deux autres tiges PM et P'M' reliées aux points P et P' sont fixées au collet en M et M'. Ce collet peut s'élever ou s'abaisser le long de l'axe vertical.
Quand la machine fonctionne au bon régime l'écartement des boules permet à la fourchette d'être horizontale.
Si la vitesse est trop élevée, les boules s'éloignent de l'axe entraînant le collet vers le haut et la fourchette pivote autour de l'axe A et appuie sur la valve.
Si la vitesse de fonctionnement est trop faible, les boules se rapprochent de l'axe, le collet s'abaisse et la fourchette pivote autour de l'axe A et relève la valve.
La fourchette est reliée à une valve d'admission de la vapeur provenant de la chaudière. Ainsi quand la machine tourne trop vite la quantité de vapeur diminue et inversement dans le cas contraire.

un régulateur au musée

Le parallélogramme de Watt

Le balancier est un dispositif ingénieux qui permettant de transformer le mouvement de translation du piston en un mouvement de rotation pour faire tourner par exemple un arbre moteur.

Le balancier tournant autour de l'axe O est lié au parallélogramme MNPI articulé.
Lorsque le balancier oscille autour de O, le mouvement de la tige du piston reliée au point P est pratiquement rectiligne.
En effet, le dispositif astucieux de Watt consiste en un parallélogramme MNPI dont les quatre côtés sont de longueur constante et qui peut s'articuler autour de ses quatres sommets.

Le condenseur externe

James Watt remarquait que l'eau injectée dans le cylindre pour recondenser la vapeur, refroidissait considérablement les parois de celui-ci. Il eut pour idée d'utiliser un condenseur externe.
La vapeur arrive par un tuyau latéral et passe dans le cylindre puis est refroidie par injection d'eau froide dans un condenseur placé en-dessous du cylindre.
Ce condenseur baigne dans de l'eau froide qui est recyclée quand elle s'est trop réchauffée grâce à une pompe d'épuisement.
L'apport en eau provenant d'un puits ou d'une rivière est assuré par une pompe d'alimentation.

Le tiroir de distribution de la vapeur

Afin que la vapeur puisse agir de part et d'autre du piston, un exentrique est relié d'un côté à l'arbre moteur et de l'autre à un tiroir d'admission de la vapeur qui est ainsi animé d'un mouvement alternatif comme l'indique cette animation.

La distribution de la vapeur par ce tiroir consiste à faire circuler la vapeur qui vient de la chaudière grâce au mouvement de va-et-vient d'une pièce mobile du tiroir.
Pendant que la "nouvelle" vapeur rentre d'un côté du piston, "l'ancienne" est évacuée vers le condenseur.

1. Le piston commence son mouvement vers le haut, poussé par la vapeur qui arrive par la lumière du bas.
2. Quand le cylindre est complètement rempli, le tiroir qui s'est élevé par l'intermédiaire de l'exentrique, laisse rentrer la vapeur par le haut du cylindre.
3. Le piston redescend et la vapeur est évacuée par la lumière du bas. Et ainsi de suite...

Pour revoir une des machines précédentes, cliquez sur son image.

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