Machine à vapeur de Watt en 3D : simulateur pas à pas

Ce que montre le modèle

Avant James Watt, une machine à vapeur dépensait l’essentiel de son charbon à chauffer puis refroidir le même cylindre en fer, douze fois par minute ou davantage. Ce modèle montre la machine qui a réglé ce problème, puis qui s’est mise à entraîner les arbres des filatures au lieu de seulement faire tourner des pompes.

C’est une machine rotative à balancier du type que Boulton et Watt construisaient dans les années 1780, au dixième de sa taille réelle et coupée par le milieu. Les faces rouges sont des surfaces de coupe. La vapeur vive venue de la chaudière est orange, la vapeur usée en route vers le condenseur bleu pâle, et l’eau bleu foncé. Les proportions suivent la machine Boulton et Watt de 1785 du Powerhouse Museum de Sydney : alésage de 635 mm (25 pouces), course de 1,83 m (6 pieds) et volant de 4,27 m (14 pieds).

L’affichage dans le coin donne la vitesse du volant, l’ouverture du papillon, la puissance que la vapeur fournit au piston, le charbon brûlé par la machine et la pression au-dessus du piston. Une petite courbe sous le graphique garde les 30 dernières secondes de vitesse (rouge) et de papillon (bleu), pour que vous voyiez le régulateur répondre quand vous changez la charge. Le graphique du dessous est le cycle pression-volume du haut du cylindre, tracé en direct pendant que la machine tourne. Le contour gris derrière est le cycle à la charge nominale, ce qui permet de voir comment il change quand vous déplacez le curseur de charge.

Pourquoi la machine de Newcomen brûlait autant de charbon

La machine atmosphérique de Thomas Newcomen, en 1712, remplissait son cylindre de vapeur puis y pulvérisait de l’eau froide. La vapeur se condensait, la pression dans le cylindre chutait, et l’air extérieur poussait le piston vers le bas. Cela fonctionnait, mais chaque course refroidissait les parois du cylindre, et la charge de vapeur suivante devait les réchauffer avant de pouvoir remplir l’espace. Une grande partie de la vapeur, et du charbon qui la produisait, servait à tiédir du fer.

Watt a rencontré le problème en 1763, quand le College de Glasgow lui a demandé de réparer une maquette de machine de Newcomen qui s’arrêtait sans cesse faute de vapeur. Sa réponse, qu’il faisait déjà fonctionner sur une maquette en 1765, a été de condenser la vapeur ailleurs. Son brevet a été accordé le 5 janvier 1769, et sa première revendication disait que le cylindre « doit, pendant tout le temps où la machine travaille, être maintenu aussi chaud que la vapeur qui y entre ».

Le condenseur séparé

Dans le modèle, le condenseur est le récipient en fer plongé dans la bâche en bois remplie d’eau froide, sous le plancher de la salle des machines. Quand une extrémité du cylindre s’ouvre sur l’échappement, la vapeur se précipite dans le tuyau jusqu’au condenseur, où un jet d’eau froide venu du robinet d’injection la change de nouveau en eau. L’eau occupe bien moins de place que la vapeur, donc la pression du condenseur reste basse, environ 0,2 bar dans le modèle. Le cylindre ne touche jamais l’eau froide, il reste donc chaud.

La condensation produit de l’eau, et un peu d’air entre avec la vapeur ou fuit par les joints. La pompe à air, à côté du condenseur, enlève les deux. Son seau est actionné par une tige suspendue au balancier, et l’eau tiède qu’elle remonte va dans la bâche chaude, d’où une conduite d’alimentation la renvoie à la chaudière. Le Science Museum résume le résultat simplement : les machines équipées du condenseur de Watt brûlaient deux tiers de charbon en moins.

Les chiffres du modèle montrent pourquoi. Avec le papillon à son ouverture de référence de 45 %, la vapeur arrive au cylindre à 1,14 bar absolu, à peine au-dessus de l’air extérieur. Avec l’autre côté du piston ouvert sur le condenseur à 0,2 bar, chaque aller-retour fournit environ 80 kJ de travail. Si la même machine rejetait sa vapeur à l’air libre, à 1,01 bar, la contre-pression annulerait la poussée et la machine calerait.

De la vapeur des deux côtés du piston

Les premières machines de Watt étaient à simple effet, comme celles de Newcomen : la vapeur poussait le piston vers le bas et le poids des tiges de pompe le ramenait. Pour entraîner des machines en douceur, Watt a breveté le double effet en mars 1782. La vapeur agit sur le dessus du piston à la descente et sur le dessous à la montée, et le côté qui n’est pas poussé est ouvert sur le condenseur.

Le modèle utilise un tiroir pour faire ces commutations. C’est un bloc de laiton creusé par-dessous, qui monte et descend sur trois lumières de la glace du tiroir. La lumière du haut mène au haut du cylindre, celle du bas au bas, et celle du milieu à l’échappement. Quand le tiroir découvre une lumière extérieure vers la boîte à vapeur, son creux relie l’autre lumière extérieure à l’échappement.

Les bords extérieurs du tiroir dépassent les lumières d’une marge appelée recouvrement extérieur. À cause de ce recouvrement, le tiroir coupe la vapeur fraîche bien avant la fin de la course : à 46 % de la course descendante et à 55 % de la course montante dans le modèle. Les deux chiffres diffèrent parce que l’extrémité du balancier décrit un arc et que les tiges ne sont pas infiniment longues. Après la coupure, la vapeur enfermée continue de pousser en se détendant, ce qui économise de la vapeur. Watt a décrit ce travail par détente dans le même brevet de 1782.

Transformer le va-et-vient du balancier en rotation

Le haut de la tige du piston doit se déplacer en ligne droite, sinon il arracherait son presse-étoupe. Or l’extrémité du balancier se déplace sur un arc. La réponse de Watt, en 1784, a été le parallélogramme : un ensemble de barres et une bielle de rappel disposées pour qu’une articulation trace une ligne presque droite pendant toute la course. Watt disait que c’était l’invention dont il était le plus fier. Le vrai mécanisme de Watt ne fait qu’approcher une droite ; le modèle tient la crosse exactement sur l’axe du cylindre et en déduit la position des barres.

À l’autre bout du balancier, une bielle descend vers l’arbre. Au lieu d’une manivelle, elle porte une roue dentée fixée à la bielle, qui ne peut pas tourner sur elle. Cette roue planète engrène avec une roue soleil de même taille sur l’arbre du volant, et une bride les maintient ensemble. Quand la planète fait le tour, le soleil tourne deux fois pour chaque montée et descente du piston. Watt l’a employé parce que, comme le rappelle l’histoire publiée par l’ASME, la manivelle, la solution évidente, avait déjà été brevetée par quelqu’un d’autre.

Le volant de 4,27 m fait passer l’arbre par les deux points morts de chaque tour, quand le piston est en bout de course et ne peut pas faire tourner l’arbre.

Comment le régulateur tient la vitesse

Une machine de filature doit tourner presque à la même vitesse, que les machines qu’elle entraîne soient occupées ou à l’arrêt. Le régulateur à boules le fait sans que personne ne surveille. Deux boules de laiton pendent au bout de bras fixés à un axe entraîné par l’arbre du volant. Quand l’axe tourne plus vite, les boules s’écartent vers l’extérieur et vers le haut. Cela soulève un manchon, qui actionne une équerre et une longue tringle jusqu’au papillon de la conduite de vapeur et le referme un peu. Moins de vapeur atteint le cylindre, et la machine ralentit. Si elle ralentit trop, les boules retombent et le papillon s’ouvre.

Essayez dans Commandes. À la charge nominale de 30 hp, la machine se stabilise à 40,3 rpm. Baissez la charge à 10 hp : le volant accélère brièvement jusqu’à 42,8 rpm, puis le papillon se ferme jusqu’à environ 8 % et la vitesse se stabilise à 42,6 rpm. Coupez le régulateur et refaites la même chose : le papillon reste où il était et la machine dépasse 110 rpm en moins d’une minute. Montez la charge à 40 hp et le papillon s’ouvre en grand, mais la machine ralentit quand même vers 29 rpm. Au-delà d’environ 37 hp à 40 rpm, le cylindre ne peut tout simplement pas fournir assez de travail.

Un régulateur comme celui-ci ne revient jamais tout à fait à la vitesse de départ. Il lui faut un petit écart de vitesse pour tenir le papillon dans une nouvelle position, si bien que la machine tourne un peu plus vite à faible charge qu’à forte charge. Les ingénieurs appellent cela le statisme.

Les chiffres, calculés

La formule de hauteur du régulateur vient du pendule conique : une boule qui tourne autour d’un axe vertical se place là où la traction de son bras vers l’intérieur équilibre la pesanteur, à une hauteur h = g/ω² sous le pivot, quelle que soit sa masse. Faites-la tourner plus vite et h diminue, donc les boules montent. L’American Society of Mechanical Engineers (ASME) estime la machine de Whitbread à environ 35 chevaux indiqués après son passage au double effet, en supposant une pression moyenne effective de 10 psi et 20 à 21 courses par minute. Le modèle retombe sur les mêmes chiffres.

Newcomen contre Watt, sur la même machine

L’onglet Commandes a un interrupteur appelé Condenseur séparé. Coupez-le et le modèle fonctionne comme la machine de Newcomen : le jet froid est pulvérisé directement dans le cylindre à la fin de chaque course, et le condenseur reste inutilisé. Deux choses changent. Le vide est moins bon, parce que le jet lutte contre une paroi de cylindre chaude, si bien que la contre-pression du modèle passe de 0,2 bar à 0,55 bar. Et les parois refroidissent à chaque course, donc la charge de vapeur suivante doit les réchauffer avant de pouvoir pousser.

Le second effet est celui que Watt visait, et c’est lui qui coûte du charbon. Le modèle le compte en ajoutant la vapeur qui se condense sur les parois à la vapeur qui travaille. Avec le condenseur séparé, il ajoute 0,6 kg pour chaque kilogramme qui travaille, ce qui représente un cylindre à chemise qui perd encore un peu de chaleur. Avec le jet dans le cylindre, il ajoute 2 kg, donc les deux tiers de toute la vapeur servent à réchauffer du fer. Les deux chiffres sont des valeurs du modèle, choisies pour que le résultat tombe près des « deux tiers de charbon en moins » du Science Museum.

Les barres du labo montrent le résultat pour la même machine à 40 rpm, papillon grand ouvert :

C’est 3,1 fois plus de charbon pour le même travail. Dans le modèle en marche, la différence apparaît aussi d’une autre façon. À la charge nominale de 30 hp, le réglage Newcomen ne tient pas : le papillon s’ouvre en grand, la vitesse baisse et la machine s’arrête. Baissez la charge à 15 hp et elle tient 40,6 rpm, mais elle brûle 239 kg de charbon par heure contre 87 kg pour le réglage Watt à la même charge.

Le charbon par cheval-heure, calculé

Les ingénieurs de l’époque de Watt comparaient les machines au travail qu’elles fournissaient pour une quantité donnée de charbon. Le modèle fait le même calcul, étape par étape, à la charge nominale avec le régulateur en marche :

Deux de ces nombres sont des hypothèses et non des résultats : la chaudière du modèle produit 6 kg de vapeur par kilogramme de charbon, et le charbon contient 29 MJ par kilogramme. Ce sont des valeurs du modèle. Changez l’une ou l’autre, et tous les chiffres qui suivent dans le tableau bougent avec elle.

La dernière ligne mérite d’être lue lentement. Sur cent unités de chaleur contenues dans le charbon, moins de trois arrivent au piston sous forme de travail. Le reste part par la cheminée, dans l’eau froide de la bâche et dans l’eau tiède que la pompe à air rejette dans la bâche chaude. Dans le modèle, un kilogramme de charbon donne 0,78 MJ de travail au piston. C’est assez pour monter une tonne d’eau de 80 mètres, exactement le genre de tâche pour laquelle on achetait ces machines. Avec le réglage Newcomen, le même kilogramme donne 0,27 MJ.

Qu’est-ce qu’un cheval-vapeur

L’affichage de puissance donne d’abord des chevaux, car c’est l’unité avec laquelle Watt évaluait ses machines. Un cheval-vapeur britannique (hp) vaut 33 000 pieds-livres de travail par minute : une force de 33 000 livres déplacée d’un pied, ou de 330 livres déplacée de 100 pieds, chaque minute. Le National Institute of Standards and Technology (NIST) américain donne la conversion comme 550 pieds-livres par seconde, soit 745,7 watts. Le modèle divise par ce nombre pour passer des watts aux chevaux, si bien que 26,1 kW s’affichent 35,0 hp.

Le chiffre en kilowatts est là parce que presque tout se mesure aujourd’hui en watts. Dans l’unité de Watt lui-même, les 10 à 15 chevaux de la machine de Sydney après sa remise à niveau représentaient le travail de 10 à 15 chevaux, fourni sans repos.

Couper la vapeur plus tôt

Watt avait vu que la vapeur déjà dans le cylindre pouvait continuer à travailler après la fermeture du tiroir, et le curseur d’admission vous permet de l’essayer. Il fixe jusqu’où, dans la course, la vapeur fraîche continue d’entrer. Le tiroir du modèle est un vrai tiroir, donc changer l’admission change son recouvrement et son angle de calage, et l’échappement s’ouvre aussi à un autre moment. Sans avance linéaire, un tiroir dont le recouvrement vaut une fraction L de sa course coupe à une position du piston d’environ cos²δ, avec sin δ = L. Les 45° du modèle donnent une coupure vers mi-course.

La détente est payante parce que la vapeur enfermée continue de pousser gratuitement. Si de la vapeur à température constante se détend jusqu’au double de son volume, elle fournit 1 + ln 2 = 1,69 fois le travail fourni pendant son admission. Détendue quatre fois, elle en fournit 2,39 fois plus. Une admission courte tire donc plus de travail de chaque kilogramme de vapeur.

Le revers, c’est qu’une admission courte veut aussi dire moins de vapeur par course, donc moins de puissance. Réglez l’admission à 25 % avec les 1,45 bar de Watt et la machine ne peut pas entraîner 30 hp : elle ralentit et s’arrête. Montez la pression de chaudière à 2,5 bar et elle tient de nouveau 41,4 rpm avec le papillon ouvert à seulement 24 %, en brûlant 2,4 kg de charbon par hp·h au lieu de 3,4. C’est la voie qu’ont suivie les ingénieurs ensuite. Les machines d’exhaure de Cornouailles des années 1800 utilisaient de la vapeur à haute pression et la coupaient tôt ; réglez le modèle sur une admission de 20 % à 3,5 bar, en simple effet, et les barres indiquent 1,8 kg par hp·h.

Simple effet et double effet

L’interrupteur Double effet laisse entrer ou non la vapeur sous le piston. Coupé, le dessous du piston reste toujours ouvert sur le condenseur, comme sur les premières machines d’exhaure de Watt. Le travail par aller-retour est divisé par deux, et papillon grand ouvert le modèle donne 20 hp au lieu de 42. À la charge nominale de 30 hp, la machine à simple effet ralentit jusqu’à l’arrêt. À 15 hp, elle tient environ 38 rpm avec le papillon ouvert à 84 %.

On voit aussi la différence sur la scène. En simple effet, le bas du cylindre reste bleu pâle en permanence, et le point p-V du graphique passe la moitié de chaque cycle sur la ligne du condenseur.

Machines de l’histoire

La liste « Machines de l’histoire » rassemble 76 machines, de la pompe de Savery de 1698 à une centrale à charbon actuelle. Vous pouvez chercher par nom, année ou lieu, puis filtrer par pays et par usage : pompes de mine et d’eau, usines et moulins, locomotives et véhicules routiers, navires, électricité, modèles ou brevets. Choisir une machine produit deux effets. Le type correspondant apparaît sur la scène, parmi les six décrits ci-dessous, et les quatre réglages du modèle de Watt changent pour le représenter : destination de l’échappement (injection dans le cylindre, condenseur séparé ou air libre), simple ou double effet, coupure d’admission et pression de chaudière. Ces réglages décrivent le type de machine, pas les mesures de cet exemplaire précis.

Les notes sous le menu reprennent ce que disent les musées et les institutions de chacune. Quelques-unes donnent une puissance, affichée comme chiffre de la machine réelle : 1000 hp pour la machine du SS Great Britain en 1843, 1400 hp pour la machine Corliss qui entraînait le Machinery Hall de l’Exposition du Centenaire de 1876, et 700 hp pour la machine de filature de Burnley de 1903. Le dernier choix n’est même pas une machine à piston. En 2024, les centrales à charbon américaines ont consommé en moyenne 10 777 Btu de combustible par kilowattheure produit ; comme un kilowattheure vaut 3412 Btu, cela fait un rendement de 31,7 %. Elles font toujours bouillir de l’eau, détendre la vapeur et la condensent, mais dans des turbines et à des pressions et températures bien plus élevées.

Les choix de locomotives montrent pourquoi les chemins de fer pouvaient se passer de condenseur. Un réglage de type Rocket rejette l’échappement à l’air libre à 1,01 bar, ce qui, à la pression de Watt, ne laisserait presque rien. À 4,4 bar, il y a assez de pression pour pousser contre l’atmosphère et fournir quand même du travail, au prix de plus de charbon par cheval.

Six machines sur une même scène

Les boutons au bas de la scène remplacent la machine de Watt par cinq autres. Chacune s’anime, et les chiffres affichés deviennent ceux de sa pression, de son rendement, de sa consommation de charbon et de sa vitesse. Une petite mention après chaque valeur en indique l’origine : « source » renvoie à la page du musée ou du site historique ; « modèle » signifie que la valeur a été calculée par le modèle de cette page pour ce type de machine.

Newcomen, 1712. Le cylindre, ouvert en haut, se dresse sur une chaudière en meule de foin. La vapeur, à peu près à la pression de l’air, le remplit sous le piston. Un jet d’eau froide venu du réservoir mural la condense, et l’air au-dessus pousse le piston vers le bas. Des chaînes sur les têtes arquées du balancier guident verticalement la tige du piston et celle de la pompe. John Lienhard, de l’université de Houston, estime le rendement des premières machines de Newcomen à environ un tiers de pour cent : 1 kg de charbon à 29 MJ fournissait donc environ 0.1 MJ de travail. Old Sarah, machine atmosphérique près de Wakefield conservée au Science Museum, pompait encore en 1917 depuis 330 ft de profondeur, à environ 5 courses par minute.

Watt, 1785. C’est la machine décrite dans le reste de cette page. Avec le condenseur séparé à 1.45 bar, le modèle donne un rendement de 2.8% et une consommation de 3.3 kg de charbon par cheval-heure.

Trevithick, 1805. La machine de Hazledine and Co. du Science Museum fonctionnait à environ 50 psi au-dessus de l’atmosphère (4.46 bar absolus) et fournissait 3 hp. Le cylindre est logé dans la chaudière pour recevoir une vapeur chaude, et l’échappement sort par la cheminée : ni condenseur ni balancier. Le modèle donne 2.3% de rendement. La haute pression compense l’essentiel de la perte due au rejet de vapeur à la pression atmosphérique, dans une machine beaucoup plus petite.

Rocket, 1829. Selon le Science Museum Group, la locomotive de Stephenson réunissait la chaudière multitubulaire et la tuyère d’échappement. La vapeur rejetée par les deux cylindres inclinés jaillit dans la cheminée et attire les gaz du foyer dans les tubes : plus la machine travaille, plus le feu brûle fort. Avec la même haute pression et sans condenseur, le modèle donne 2.2%.

Triple expansion, 1894. La vapeur traverse trois cylindres de plus en plus grands. Chacun utilise celle que le précédent a déjà détendue. La machine de pompage Leavitt, à Chestnut Hill à Boston, est un site historique de l’ASME. Aux essais, elle fonctionnait à 175.7 psi (13.1 bar absolus) et 50.6 rpm, brûlant 1.146 lb de charbon par cheval-heure. Cela fait 0.52 kg et, avec 29 MJ par kg, un rendement de 17.8%, six fois celui du modèle de Watt. La brochure de l’ASME donne 20.8% pour la machine seule, mesurés à partir de la vapeur. Les Liberty ships de la Seconde Guerre mondiale, comme le SS Jeremiah O’Brien, utilisaient encore une machine à triple expansion de 2,500 hp.

Turbine Parsons, 1884. Il n’y a pas de piston. Dans le modèle, la vapeur entre au milieu du carter et se détend dans des rangées d’aubes mobiles sur le rotor et d’aubes fixes sur le carter, entraînant directement l’arbre. Le Science Museum Group donne 18,000 rpm pour la première turbine de Parsons, une vitesse adaptée à une dynamo, mais aucun rendement : l’affichage le signale. En 1892, trois turbines Parsons de 100 kW avec condenseurs, à Cambridge, ont égalé aux essais les meilleures machines à piston de même taille. L’affichage donne aussi le rendement d’une centrale à charbon actuelle pour comparaison : 31.7%.

Un kilogramme de charbon, machine par machine

La course au rendement sous les commandes fait brûler 1 kg de charbon à chaque machine pour soulever de l’eau à 10 m. Soulever un kilogramme de 10 m demande 9.81 × 10 = 98.1 J. Un kilogramme de charbon contenant 29 MJ, la masse d’eau soulevée vaut 29,000,000 × rendement ÷ 98.1 kg.

Deux lignes sont calculées à partir de la consommation de charbon. La machine à balancier de Peel, Williams and Peel de 1846 brûlait environ 6 lb par cheval-heure, soit 2.72 kg et 3.4% de rendement. Les 1.146 lb de la machine Leavitt donnent 0.52 kg et 17.8%. Les 11% de la machine de Cornouailles sont le rendement global donné par l’ASME pour une machine de 80 inch en Cornouailles en 1835. La même brochure indique que les machines de Cornouailles des années 1830 déplaçaient quatre à cinq fois plus d’eau par tonne de charbon que les meilleures machines de Watt. L’article de l’ASEE calcule environ 1.4% pour la machine de Smeaton à Long Benton, à partir de son travail de 9.45 millions de pieds-livres par boisseau de charbon. De la première machine de Newcomen à une centrale actuelle, le même charbon soulève 96 fois plus d’eau.

Les barres utilisent une échelle logarithmique : chaque pas sur l’axe multiplie la valeur par dix. Une échelle linéaire rendrait la barre de Newcomen trop courte pour être visible. Le graphique sous la course place les neuf mêmes machines sur une frise chronologique.

Défis et soupape de sûreté

Les sept défis sous les commandes permettent chacun d’observer une propriété des machines. Trois demandent le modèle de Watt : trois fois le travail de Newcomen avec le même charbon, tenir 40 rpm sous une charge de 60 hp, et dépasser 4% de rendement avec une coupure d’admission plus précoce et une pression de chaudière plus élevée. À 1.45 bar, le modèle descend sous 38 rpm vers 37 hp et s’arrête au plus tard à 50 hp : il faut donc d’abord monter la chaudière à 2.5 bar ou plus pour le défi de charge. Le quatrième utilise la soupape de sûreté, un levier lesté au-dessus de la chaudière. La chaudière en forme de chariot du modèle est limitée à 3.5 bar, une valeur que nous avons choisie pour une chaudière basse pression de cette forme. Si vous dépassez cette consigne avec la soupape activée, le levier se soulève et laisse échapper la vapeur ; la machine continue à 3.5 bar. Si vous désactivez la soupape, l’affichage avertit du danger pour la chaudière.

Manomètres et fumée

Deux cadrans sur le modèle montrent les pressions que surveillait le mécanicien. Le manomètre de vapeur, sur la conduite à côté du cylindre, lit la boîte à tiroir après le papillon, donc son aiguille baisse quand le régulateur ferme le papillon. Le vacuomètre du condenseur indique 0,2 bar avec le condenseur de Watt et 0,55 bar avec le réglage Newcomen. La fumée de la cheminée suit le charbon brûlé par le modèle : elle s’épaissit quand vous augmentez la charge ou choisissez un réglage gaspilleur.

Lire le cycle pression-volume

Suivez le point rouge dans le sens des aiguilles d’une montre. Le plateau du haut est l’admission, quand le haut du cylindre est ouvert sur la boîte à vapeur. La courbe qui en descend est la détente après la coupure, où la pression baisse à mesure que le volume augmente. À 84 % de la course, le tiroir ouvre le haut du cylindre sur l’échappement et la pression tombe à la ligne du condenseur. Pendant la course de retour, le tiroir ferme l’échappement avant que le piston n’arrive en haut, si bien que le reste de vapeur est comprimé dans l’espace mort et amortit le piston. L’aire à l’intérieur du cycle est le travail fourni sur ce côté du piston en un cycle.

Baissez la charge et regardez le cycle rétrécir. Le régulateur ferme le papillon, la pression dans la boîte à vapeur baisse et le plateau du cycle descend. C’est ce qu’on appelle la régulation par étranglement : la machine coupe toujours au même point, mais travaille avec une vapeur moins dense.

Où le modèle s’écarte des vraies machines

La machine de 1785 admet la vapeur par des soupapes, pas par un tiroir. Nous avons utilisé un tiroir parce qu’une seule pièce mobile montre toutes les phases de la distribution. La vraie bielle mesure 5,5 m, plus que les 4 m du modèle, et le balancier de la machine de Whitbread a été remplacé par un balancier en fonte des années après sa construction, alors que le nôtre est en chêne. La pression de chaudière est notre propre choix : 1,45 bar absolu, pour qu’après la conduite et le papillon la boîte à tiroir soit un peu au-dessus de la pression atmosphérique, proche des 3 psi au-dessus de l’atmosphère que suggère l’ASME. Le volant est aussi plus léger qu’un vrai, pour qu’un changement de charge se stabilise en quelques secondes plutôt qu’en minutes.

De la maquette de condenseur à la machine Lap

Watt a construit sa maquette de condenseur en 1765 et obtenu le brevet en 1769. Après son association avec Matthew Boulton, le brevet a été mis en pratique en 1776, sur une machine d’exhaure de mine et une machine soufflante pour une forge. L’ASME indique qu’elles brûlaient un tiers du combustible habituel à l’époque. Le mouvement rotatif est venu ensuite : le brevet de Watt pour le « mouvement circulaire autour d’un axe », qui comprenait l’engrenage planétaire, est daté du 25 octobre 1781. Le double effet et le travail par détente ont suivi en mars 1782, et le parallélogramme en août 1784.

La machine de la brasserie Whitbread, à Sydney, a été installée en 1785 ; c’était peut-être la sixième machine rotative de la firme, et elle a travaillé 102 ans, jusqu’en 1887. Le Powerhouse Museum indique qu’elle a été modifiée pour faire passer sa puissance de 10 à 15 chevaux et que son régulateur a été ajouté dans les années 1790. La machine Lap de 1788, aujourd’hui au Science Museum de Londres, a entraîné les meules de polissage de la manufacture Soho de Boulton pendant 70 ans. L’ASME la cite comme la première machine équipée d’un régulateur à boules. Watt l’estimait à 10 chevaux, et un essai de 1858 a mesuré 13,75. En tout, Boulton et Watt ont construit environ 500 machines, dont environ 60 % rotatives.