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La
chaudière des locomotives à vapeur
La chaudière de la
locomotive à vapeur produit l'énergie
utilisée par le moteur de la locomotive.
La locomotive à vapeur diffère donc
complètement de la locomotive
électrique qui, elle, reçoit son
énergie et ne la produit pas. Des
qualités de production de la chaudière
dépendent directement les qualités de
puissance, d'accélération, de vitesse
de la locomotive à vapeur. Si la
chaudière est défaillante, la meilleure
des locomotives ne vaut plus rien et il y
a risque de "planter un chou",
disait-on à l'époque, c'est-à-dire de
s'arrêter en pleine voie et d'attendre
que la pression remonte!
L'enjeu des
débuts : une production
suffisante de vapeur
Les premières
machines à vapeur industrielles
du 18ème siècle travaillent à
demeure dans des usines et
peuvent bénéficier de
conditions d'espace permettant l'installation
de chaudières largement
dimensionnées compensant leur
faible productivité en vapeur.
Mais dès qu'il est question de
loger une chaudière sur une
locomotive, c'est-à-dire dans un
espace très restreint, le
problème du manque de puissance
se pose. La solution utilisée
jusque-là de la simple
chaudière-bouilloire ne peut
être appliquée à la locomotive
si on veut des performances.
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Deux très
rares vues prises par un mécanicien de
locomotive, debout sur sa 231 E 22 Nord,
au dépôt de Calais à la fin des
années 50. La première vue montre le
dôme de prise de vapeur, les
surchauffeurs, et la cheminée. La
seconde montre le foyer
parallélépipédique surmonté des
soupapes de sûreté, puis le toit de l'abri
de conduite. (Collection Lamming)
Augmenter la surface
de chauffe
Comment produire une grande
quantité de vapeur avec une chaudière
"embarquée", donc limitée
quant à ses dimensions ? Tel est le
problème posé aux pionniers de la
traction vapeur. Ainsi, les performances
remarquables de la locomotive anglaise
"la Fusée", lors du concours
de Rainhill en 1829, sont dues, pour une
très large part, à la grande quantité
de vapeur fournie par la chaudière dont
George Stephenson a équipé sa
locomotive. Il s'agit d'une chaudière à
tubes, brevetée par ailleurs par le
français Marc Seguin, les deux
inventeurs ayant travaillé en même
temps sur le même projet. La présence
de nombreux tubes dans la chaudière,
parcourus par les gaz chauds du foyer,
multiplie la surface de contact (c'est-à-dire
la surface de chauffe) entre les gaz et l'eau
et produit, de ce fait, une grande
quantité de vapeur en peu de temps. La
locomotive, au sens moderne du mot, n'a
existé que le jour où cette chaudière
idéale fut trouvée, les essais
antérieurs n'ayant donné naissance, à
vrai dire, qu'à des engins grossiers,
informes et sans puissance.
(Photo Boyer-Vopmmet)
Le travail d'une
chaudière
Au début du siècle, par
exemple, une locomotive à vapeur pour
trains rapides pouvant donner 800 à 1000
CV consomme 13 kg de charbon par
kilomètre parcouru ; en une heure de
trajet, elle transforme 8 t d'eau en
vapeur. Or, pour alimenter en vapeur le
moteur d'une telle locomotive, on ne
dispose guère, sur le châssis, que d'une
longueur maximale de 6 à 7 m, d'un
diamètre maximal de 1,3 m, et pourtant
la surface de chauffe est de 120 à 150 m²!
Pour cela, la grille du foyer offre une
surface de l'ordre de 2 m². Si le train
roule à pleine vitesse, la production de
vapeur, avec notre locomotive de 800 à
1000 CV, atteindra 60 kg par mètre
carré de surface de chauffe et par heure,
et la quantité de charbon brulé sera de
555 kg par mètre carré de surface de
grille et par heure aussi. La locomotive
brûle environ 7 fois plus de charbon par
unité de surface de grille et vaporise
environ 12 fois plus d'eau que les
chaudière de machines industrielles.
Avec l'application de techniques encore
plus poussées comme la surchauffe ou la
resurchauffe lors de l'Entre-deux-guerres,
ou avec le travail sur les circuits et
passages de vapeur, les performances de
la chaudière iront encore en s'améliorant.
Des puissances de plus de 5000 CV seront
atteintes par les meilleures locomotives
européennes ou américaines.
Les différentes
parties d'une chaudière
L'ensemble des locomotives
du monde ont des chaudièrescomportant un
foyer de forme parallélépipédique d'où
les gaz chauds de la combustion s'échappent
en parcourant un faisceau tubulaire
entourés de l'eau du corps cylindrique.
Puis ces gaz s'échappent dans l'atmosphère
par la boite à fumée et la cheminée,
disposée à l'avant du corps cylindrique.
La dépression existant dans la boite à
fumée est utilisée pour activer le
tirage du foyer. Les gaz chauds
abandonnent donc à l'eau, par
rayonnement et conductibilité, la
majeure partie de leur chaleur, ce qui
transforme l'eau en vapeur d'eau. Celle-ci,
au fur et à mesure de sa production, s'accumule
dans la partie supérieure du corps
cylindrique -la "chambre de vapeur"-
et la vapeur est prise par le "dôme
de vapeur" surmontant le corps
cylindrique.
Ce document
officiel de la SNCF servait jadis à la
formation des apprentis. Ce schéma
explicatif d'une chaudière, excellent
point de vue technique, ne comporte donc
aucune erreur. Notez que le tuyau de
prise de vapeur, sur ce schéma, est
interrompu pour des raisons de clarté et
de limitation. Dans la réalité, il se
prolonge en direction des cylindres. Le
"régulateur" est commandé
directement par le mécanicien-conducteur
de la locomotive. (Hulton Deutsch
Collection)
La "conduite du
feu"
Le travail du chauffeur, sur
la locomotive, consiste à produire du
feu et, surtout, à "conduire le feu"
de manière à ce qu'une quantité de
vapeur suffisante soit disponible au
moment des accélérations, des rampes,
des parcours à grande vitesse : il a un
travail très difficile de chargement du
feu avec sa pelle, de répartition du
charbon sur le feu, de surveillance du
feu pour éviter la formation de
mâchefer ou l'accumulation de cendres,
et de surveillance du niveau de l'eau: un
manque d'eau risque de faire fondre les
fusibles de sécurité du foyer, ce qui
entraîne l'inondation du foyer et son
extinction pour éviter le risque d'explosion.
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