Quel train détient le record du monde de vitesse pour les locomotives à vapeur ?
colvert
Bien que d'autres types de chaudières aient été essayés historiquement et récemment avec des locomotives à vapeur, leur utilisation ne s'est pas répandue et la chaudière à tube de fumée avec foyer a été la source d'énergie dominante à l'ère de la locomotion à vapeur, depuis la Fusée en 1829 jusqu'au Canard colvert en 1938 et au-delà.
Une locomotive à vapeur est une locomotive ferroviaire qui produit sa force de traction grâce à une machine à vapeur. Ces locomotives sont alimentées en brûlant des matériaux combustibles – généralement du charbon/coke, du bois ou du pétrole – pour produire de la vapeur dans une chaudière. La vapeur déplace des pistons alternatifs qui sont mécaniquement reliés aux roues principales de la locomotive (conducteurs). Les réserves de carburant et d'eau sont transportées avec la locomotive, soit sur la locomotive elle-même, soit dans des wagons (annexes) tirés derrière.
La première locomotive à vapeur, fabriquée par Richard Trevithick, a fonctionné pour la première fois le 21 février 1804, trois ans après la locomotive routière qu'il avait fabriquée en 1801.
Les locomotives à vapeur ont été développées pour la première fois en Grande-Bretagne au début du XIXe siècle et utilisées pour le transport ferroviaire jusqu'au milieu du XXe siècle. À partir du début des années 1900, elles ont été progressivement remplacées par des locomotives électriques et diesel, avec des conversions complètes à l'énergie électrique et diesel à partir des années 1930. La majorité des locomotives à vapeur ont été retirées du service régulier dans les années 1980, même si plusieurs continuent de circuler sur des lignes touristiques et patrimoniales.
Origines
Royaume-Uni
Les premiers chemins de fer employaient des chevaux pour tirer les charrettes le long des voies ferrées. En 1784, William Murdoch, un inventeur écossais, construisit un prototype à petite échelle de locomotive routière à vapeur. Un premier modèle fonctionnel de locomotive à vapeur a été conçu et construit par le pionnier des bateaux à vapeur John Fitch aux États-Unis en 1794. Sa locomotive à vapeur utilisait des roues intérieures à aubes guidées par des rails ou des voies. Le modèle existe toujours au Ohio Historical Society Museum à Columbus. L'authenticité et la date de cette locomotive sont contestées par certains experts et un train à vapeur fonctionnel devrait attendre l'invention de la machine à vapeur à haute pression par Richard Trevithick.
La première locomotive à vapeur ferroviaire en état de marche à grande échelle a également été construite par Richard Trevithick, surnommé le « Puffing Devil », 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 transportait un train le long du chemin de fer. le tramway reliant les usines sidérurgiques de Pen-y-darren, près de Merthyr Tydfil, à Abercynon dans le sud du Pays de Galles. Accompagné d'Andrew Vivian, il a connu un succès mitigé. La conception incorporait un certain nombre d'innovations importantes, notamment l'utilisation de vapeur à haute pression, ce qui réduisait le poids du moteur et augmentait son efficacité. Trevithick visita la région de Newcastle en 1804 et eut un auditoire composé de propriétaires de mines et d'ingénieurs. La visite a connu un tel succès que les chemins de fer houillers du nord-est de l'Angleterre sont devenus le principal centre d'expérimentation et de développement de la locomotive à vapeur. Trevithick a poursuivi ses propres expériences de propulsion à vapeur à travers un autre trio de locomotives, concluant avec la Catch Me Who Can en 1808. Quatre ans plus tard, la locomotive bicylindre à succès Salamanca de Matthew Murray pour le chemin de fer à crémaillère et pignon sur rails de Middleton a fait ses débuts en 1812. Une autre locomotive bien connue était la Puffing Billy, construite entre 1813 et 1814 par l'ingénieur William Hedley. Il était prévu de travailler sur la mine de charbon Wylam près de Newcastle upon Tyne. Cette locomotive est la plus ancienne conservée et est exposée statique au Science Museum de Londres. George Stephenson a construit la locomotion pour le chemin de fer de Stockton et Darlington, dans le nord-est de l'Angleterre, qui fut le premier chemin de fer à vapeur public au monde. En 1829, son fils Robert construisit à Newcastle le Rocket qui participa et remporta les Rainhill Trials. Ce succès a permis à l'entreprise de devenir le principal constructeur de locomotives à vapeur utilisées sur les chemins de fer au Royaume-Uni, aux États-Unis et dans une grande partie de l'Europe. Le Liverpool and Manchester Railway a ouvert ses portes un an plus tard, utilisant exclusivement la vapeur pour les trains de voyageurs et de marchandises.
États-Unis
Bon nombre des premières locomotives des chemins de fer américains ont été importées de Grande-Bretagne, y compris la première Stourbridge Lion et plus tard la John Bull (toujours le plus ancien véhicule à moteur opérationnel aux États-Unis, en 1981), mais une locomotive nationale L'industrie manufacturière s'est rapidement implantée. La Tom Thumb du Baltimore and Ohio Railroad en 1830, conçue et construite par Peter Cooper, fut la première locomotive construite aux États-Unis à circuler en Amérique, bien qu'elle ait été conçue comme une démonstration du potentiel de la traction à vapeur, plutôt que comme une source de revenus. locomotive. Le DeWitt Clinton a également été construit dans les années 1830.
Le premier brevet américain, US1, a été obtenu en 1836 par John Ruggles pour une locomotive à vapeur destinée aux chemins de fer et à d'autres routes. La locomotive proposée par Ruggles avait un engrenage à deux vitesses et un mécanisme à crémaillère qui n'était engagé que lors de la montée de pentes abruptes. On ne sait pas s’il a réellement été construit.
Europe continentale
Le premier service ferroviaire en Europe continentale (ou ailleurs en dehors du Royaume-Uni et des États-Unis) a été ouvert le 5 mai 1835 en Belgique, entre Malines et Bruxelles. Le nom de la locomotive utilisée était The Elephant.
En Allemagne, la première locomotive à vapeur en état de marche était un moteur à crémaillère, semblable à la Salamanca, conçu par le pionnier britannique des locomotives John Blenkinsop. Construite en juin 1816 par Johann Friedrich Krigar dans la fonderie royale de Berlin (Königliche Eisengießerei zu Berlin), la locomotive circulait sur une voie circulaire dans la cour de l'usine. Il s'agissait de la première locomotive construite sur le continent européen et du premier service de transport de passagers à vapeur, car les curieux pouvaient monter dans les voitures attenantes moyennant un supplément. Elle est représentée sur un insigne du Nouvel An de la Fonderie Royale daté de 1816. Une autre locomotive a été construite avec le même système en 1817. Elles devaient être utilisées sur les chemins de fer à fosse à Königshütte et à Luisenthal sur la Sarre (qui fait aujourd'hui partie de Völklingen), mais ni l'un ni l'autre n'ont pu être remis en état de marche après avoir été démontés, déplacés et remontés. Le 7 décembre 1835, l'Adler circulait pour la première fois entre Nuremberg et Fürth sur le chemin de fer bavarois Ludwig. Il s'agissait du 118e moteur de l'usine de locomotives de Robert Stephenson et était protégé par un brevet.
En 1837, le premier chemin de fer à vapeur a été mis en service en Autriche sur le chemin de fer du Nord de l'empereur Ferdinand entre Vienne-Floridsdorf et Deutsch-Wagram. La plus ancienne machine à vapeur en activité au monde fonctionne également en Autriche : la GKB 671, construite en 1860, n'a jamais été mise hors service et est toujours utilisée pour des excursions spéciales.
En 1838, la troisième locomotive à vapeur construite en Allemagne, la Saxonia, fut fabriquée par la Maschinenbaufirma Übigau près de Dresde, construite par le professeur Johann Andreas Schubert. La première locomotive de conception indépendante en Allemagne fut la Beuth construite par August Borsig en 1841. En 1848, la première locomotive produite par Henschel-Werke à Kassel, la Drache, fut livrée.
La première ligne ferroviaire traversant le territoire suisse fut la ligne Strasbourg-Bâle, ouverte en 1844. Trois ans plus tard, en 1847, la première ligne ferroviaire entièrement suisse, le Spanisch Brötli Bahn, de Zurich à Baden fut ouverte.
Forme basique
Chaudière
Bien que d'autres types de chaudières aient été essayés historiquement et récemment avec des locomotives à vapeur, leur utilisation ne s'est pas répandue et la chaudière à tube de fumée avec foyer a été la source d'énergie dominante à l'ère de la locomotion à vapeur, depuis la Fusée en 1829 jusqu'au Canard colvert en 1938 et au-delà.
La locomotive à vapeur, lorsqu'elle est allumée, utilise généralement une chaudière à tube de fumée à foyer en acier qui contient une source de chaleur à l'arrière, qui génère et maintient une hauteur de vapeur dans la zone sous pression partiellement remplie d'eau de la chaudière à l'avant.
La source de chaleur, contenue dans la chambre de combustion, est l'énergie libérée par la combustion, généralement d'un combustible solide ou liquide, avec comme sous-produit des gaz de combustion chauds. Si du bois, du charbon ou du coke est utilisé comme matériau de combustion, ils sont introduits par une porte, généralement par un pompier, sur un ensemble de grilles où les cendres tombent du combustible en combustion. En cas d'utilisation d'huile, une porte permet de régler le débit d'air, d'effectuer l'entretien ou de nettoyer les jets d'huile.
La chaudière à tube de fumée est caractérisée par des tubes internes reliés au foyer qui guident les fumées et les gaz de combustion chauds à travers la zone humide sous pression de la chaudière. Ces tubes augmentent considérablement la zone de contact entre les zones chaudes et humides de la chaudière, ce qui augmente l'efficacité des processus de conduction thermique et de rayonnement thermique de transfert de chaleur entre les deux. Les gaz de combustion sortent des extrémités des tubes de fumée à l'avant de la chaudière et sont évacués via le fumoir vers la cheminée (stack ou smokestack aux USA).
Autour de la chaudière se trouvent des couches d'isolation ou de calorifugeage pour minimiser les pertes de chaleur dans l'environnement.
La pression dans la chaudière peut être surveillée par une jauge montée dans la cabine et la pression de vapeur excessive peut être évacuée manuellement par le conducteur ou le pompier. Alternativement, dans des conditions de pression élevée de la chaudière, une soupape de sécurité peut être déclenchée pour réduire la pression et empêcher l'éclatement violent de la chaudière, ce qui avait auparavant entraîné des blessures et des décès parmi les personnes à proximité, ainsi que des dommages importants à la locomotive et aux structures à proximité.
À l'avant de la chaudière se trouve le fumoir, dans lequel la vapeur d'échappement utilisée est injectée pour augmenter le tirage de la fumée et des gaz de combustion à travers les tubes de fumée de la chaudière et à travers la cheminée. La recherche d'une efficacité thermique supérieure à celle d'une chaudière à tube de fumée typique a conduit des ingénieurs tels que Nigel Gresley à envisager des innovations telles que la chaudière à tube d'eau : bien qu'il ait testé le concept sur le LNER Classe W1, les difficultés de développement ont dépassé la volonté. pour résoudre le problème à ce moment-là.
La vapeur générée dans la chaudière propulse non seulement la locomotive, mais alimente également d'autres dispositifs tels que les sifflets, les freins, les pompes et les systèmes de chauffage des voitures particulières. La demande constante de vapeur nécessite un approvisionnement continu en eau de la chaudière, généralement pompée automatiquement. La source de cette eau est un réservoir non pressurisé qui fait généralement partie du annexe de la locomotive ou qui est enroulé autour de la chaudière dans le cas d'une locomotive-citerne. Des arrêts périodiques sont nécessaires pour remplir l'eau.
Pendant le fonctionnement, le niveau d'eau de la chaudière est surveillé en permanence, normalement via un tube transparent appelé voyant, ou avec une jauge. Le maintien d’un niveau d’eau adéquat est essentiel au fonctionnement efficace et sûr de la chaudière. Si le niveau d'eau est trop élevé, la production de vapeur diminue, l'efficacité est perdue et, dans les cas extrêmes, l'eau sera évacuée avec la vapeur dans les cylindres, provoquant éventuellement des dommages mécaniques. Plus grave encore, si le niveau d'eau devient trop bas, la couronne (supérieure) et/ou les tôles latérales de la chambre de combustion peuvent être exposées. Sans suffisamment d'eau pour absorber la chaleur de combustion, les tôles de la chambre de combustion peuvent ramollir et fondre, avec pour conséquence possible que de la vapeur à haute pression soit éjectée avec une force énorme à travers la chambre de combustion et dans la cabine de la locomotive. Le développement du bouchon fusible pour relâcher la pression dans des conditions de température excessivement élevée et de faibles niveaux d'eau a été conçu pour se protéger contre ce phénomène.
Le tartre peut s'accumuler dans la chaudière et empêcher un transfert de chaleur adéquat, et la corrosion finira par dégrader les matériaux de la chaudière au point où elle devra être reconstruite ou remplacée. Le démarrage d'un gros moteur peut nécessiter des heures de chauffage préliminaire de l'eau de la chaudière avant qu'une quantité suffisante de vapeur soit disponible.
Bien que la chaudière soit généralement placée horizontalement, pour les locomotives conçues pour fonctionner dans des endroits avec des pentes abruptes, il peut être plus approprié d'envisager une chaudière verticale ou montée de telle sorte que la chaudière reste horizontale mais que les roues soient inclinées pour s'adapter à la pente des rails.
Circuit vapeur
La vapeur générée dans la chaudière remplit l'espace de vapeur au-dessus de l'eau dans la chaudière partiellement remplie. Sa pression de service maximale est limitée par des soupapes de sécurité à ressort. Elle est ensuite collectée soit dans un tube perforé installé au-dessus du niveau de l'eau, soit à partir d'un dôme qui abrite souvent la vanne de régulation, ou papillon, dont le but est de contrôler la quantité de vapeur sortant de la chaudière. La vapeur circule alors directement le long d'un conduit de vapeur jusqu'au groupe moteur ou peut d'abord passer dans le collecteur humide d'un surchauffeur, le rôle de ce dernier étant d'améliorer l'efficacité thermique et d'éliminer les gouttelettes d'eau en suspension dans la "vapeur saturée", l'état dans lequel il quitte la chaudière. En quittant le surchauffeur, la vapeur sort du collecteur sec du surchauffeur et passe dans un tuyau de vapeur entrant dans les coffres à vapeur adjacents aux cylindres d'un moteur alternatif. À l'intérieur de chaque coffre à vapeur se trouve une vanne coulissante qui distribue la vapeur via des ports qui relient le coffre à vapeur aux extrémités de l'espace du cylindre. Le rôle des vannes est double : admission de chaque nouvelle dose de vapeur et évacuation de la vapeur usagée une fois qu'elle a fait son travail.
Les cylindres sont à double effet, la vapeur étant admise tour à tour de chaque côté du piston. Dans une locomotive à deux cylindres, un cylindre est situé de chaque côté de la locomotive. Les manivelles sont déphasées de 90°. Lors d'une rotation complète de la roue motrice, la vapeur fournit quatre coups de force ; chaque cylindre reçoit deux injections de vapeur par tour. La première course se fait vers l'avant du piston et la deuxième course vers l'arrière du piston ; d'où deux coups de travail. Par conséquent, deux livraisons de vapeur sur chaque face de piston dans deux cylindres génèrent un tour complet de la roue motrice. Chaque piston est relié à l'essieu moteur de chaque côté par une bielle, les roues motrices sont reliées entre elles par des bielles d'accouplement pour transmettre la puissance du moteur principal aux autres roues. A noter qu'aux deux "points morts", lorsque la bielle est sur le même axe que le maneton de la roue motrice, la bielle n'applique aucun couple à la roue. Par conséquent, si les deux pédaliers pouvaient être au "point mort" en même temps et que les roues s'arrêtaient dans cette position, la locomotive ne pourrait pas démarrer. Par conséquent, les manetons sont fixés aux roues à un angle de 90° les uns par rapport aux autres, de sorte qu'un seul côté à la fois peut être au point mort.
Chaque piston transmet la puissance directement via une bielle (US : bielle principale) et un maneton (US : dragonne) sur la roue motrice (US main driver) ou à une manivelle sur un essieu moteur. Le mouvement des soupapes dans le coffre à vapeur est contrôlé par un ensemble de tiges et de tringleries appelées engrenages de soupapes, actionnées depuis l'essieu moteur ou depuis le maneton ; l'engrenage de soupape comprend des dispositifs qui permettent d'inverser le moteur, d'ajuster la course des soupapes et le timing des événements d'admission et d'échappement. Le point de coupure détermine le moment où la vanne bloque un orifice de vapeur, "coupant" l'admission de vapeur et déterminant ainsi la proportion de la course pendant laquelle la vapeur est admise dans le cylindre ; par exemple, une coupure de 50 % laisse passer la vapeur pendant la moitié de la course du piston. Le reste de la course est entraîné par la force expansive de la vapeur. Une utilisation prudente de la coupure permet une utilisation économique de la vapeur et, par conséquent, réduit la consommation de carburant et d'eau. Le levier d'inversion (US : Johnson bar), ou inverseur à vis (le cas échéant), qui contrôle la coupure remplit donc une fonction similaire à un changement de vitesse dans une automobile : coupure maximale, fournissant un effort de traction maximal aux dépens d'efficacité, est utilisé pour démarrer à partir d'un départ arrêté, tandis qu'une coupure aussi basse que 10 % est utilisée en croisière, ce qui permet de réduire l'effort de traction avec une consommation de carburant et d'eau inférieure.
La vapeur d'échappement est dirigée vers l'atmosphère à travers la cheminée, au moyen d'une buse appelée blastpipe qui donne lieu au son familier de « soufflement » de la locomotive à vapeur. Le tube de souffle est placé à un point stratégique à l'intérieur du fumoir qui est en même temps traversé par les gaz de combustion aspirés à travers la chaudière et la grille par l'action du souffle de vapeur. La combinaison des deux flux, vapeur et gaz d'échappement, est cruciale pour l'efficacité de toute locomotive à vapeur, et les profils internes de la cheminée (ou, plus strictement parlant, de l'éjecteur) nécessitent une conception et un ajustement minutieux. Cela a fait l'objet d'études intensives par un certain nombre d'ingénieurs (et presque totalement ignoré par d'autres avec des effets parfois catastrophiques). Le fait que le tirage dépend de la pression d'échappement signifie que la puissance délivrée et la production d'énergie s'ajustent automatiquement. Entre autres choses, il faut trouver un équilibre entre obtenir un tirage suffisant pour la combustion tout en laissant aux gaz d'échappement et aux particules suffisamment de temps pour être consommés. Dans le passé, un fort courant d'air pouvait éteindre le feu de la grille ou provoquer l'éjection de particules non brûlées de carburant, de saleté et de pollution pour lesquelles les locomotives à vapeur avaient une réputation peu enviable. De plus, l'action de pompage de l'échappement a pour contre-effet d'exercer une contre-pression du côté du piston recevant la vapeur, réduisant ainsi légèrement la puissance du cylindre. La conception de l'éjecteur d'échappement est devenue une science spécifique dans laquelle Chapelon, Giesl et Porta sont passés maîtres successivement, et elle a été en grande partie responsable d'améliorations spectaculaires du rendement thermique et d'une réduction significative du temps de maintenanceVoir la section de l'article du LNER Classe A1/A3 sur les pointus augmentation de la disponibilité provoquée à cet égard par l'application de l'échappement Kylchap aux Gresley Pacifics au début des années 1960 et par la pollution. Un système similaire a été utilisé par certains premiers fabricants de tracteurs à essence/kérosène (Advance-Rumely/Hart-Parr) : le volume de gaz d'échappement évacué par une tour de refroidissement signifiait que l'échappement de vapeur aidait à aspirer plus d'air au-delà du radiateur.
Train de roulement
Cela comprend les freins, les essieux, les boîtes d'essieux, les ressorts et le mouvement qui comprend les bielles et les soupapes. La transmission de la puissance des pistons aux rails et le comportement de la locomotive en tant que véhicule, capable de franchir les courbes, les points et les irrégularités de la voie, sont d'une importance primordiale. Etant donné que la puissance alternative doit être appliquée directement au rail à partir de 0 tr/min, cela pose des problèmes uniques d'adhérence des roues motrices à la surface lisse du rail. Le poids adhésif est la partie du poids de la locomotive qui repose sur les roues motrices. Ceci est rendu plus efficace si une paire de roues motrices est capable d'exploiter au maximum sa charge par essieu, c'est-à-dire sa part individuelle du poids adhésif. Les locomotives équipées de poutres d'égalisation reliant les extrémités des ressorts à lames ont souvent été considérées comme une complication, mais les locomotives qui en sont équipées ont généralement été moins sujettes à une perte de traction due au patinage des roues.
Les locomotives à adhérence totale, c'est-à-dire dont toutes les roues sont couplées entre elles, manquent généralement de stabilité à vitesse. Cela rend souhaitable l'inclusion de roues porteuses non motorisées montées sur des bogies à deux roues ou des bogies à quatre roues centrées par des ressorts qui aident à guider la locomotive dans les virages. Ceux-ci supportent généralement le poids des cylindres à l'avant ou du foyer à l'arrière lorsque la largeur de celui-ci dépasse celle des châssis principaux. Pour plusieurs roues couplées sur un châssis rigide, il existe une variété de systèmes de jeu latéral contrôlé.
Les chemins de fer voulaient généralement une locomotive avec moins d'essieux, afin de réduire les coûts de maintenance. Le nombre d'essieux requis était dicté par la charge maximale par essieu du chemin de fer en question. Un constructeur ajoutait généralement des essieux jusqu'à ce que le poids maximum sur un essieu soit acceptable par rapport à la charge maximale par essieu du chemin de fer. Une locomotive avec une disposition de roues composée de deux essieux principaux, de deux essieux moteurs et d'un essieu traîné était en réalité une machine à grande vitesse. Deux essieux principaux étaient nécessaires pour avoir une bonne tenue de route à grande vitesse. Deux essieux moteurs avaient une masse alternative inférieure à celle de trois, quatre, cinq ou six essieux couplés. Ils étaient ainsi capables de tourner à des vitesses très élevées grâce à leur masse alternative plus faible. Un essieu traîné était capable de supporter une énorme chambre de combustion, c'est pourquoi la plupart des locomotives dotées de la disposition des roues 4-4-2 (American Type Atlantic) étaient appelées bateaux à vapeur libres et étaient capables de maintenir la pression de la vapeur quel que soit le réglage des gaz.
Châssis
Le châssis ou châssis de locomotive est la structure principale sur laquelle est montée la chaudière et qui intègre les différents éléments du train de roulement. La chaudière est montée rigidement sur une « selle » sous la boîte à fumée et à l'avant du fût de la chaudière, mais la chambre de combustion à l'arrière peut glisser vers l'avant et vers l'arrière, pour permettre l'expansion lorsqu'elle est chaude.
Les locomotives européennes utilisent généralement des « châssis à plaques », où deux plaques plates verticales forment le châssis principal, avec une variété d'entretoises et une poutre tampon à chaque extrémité pour les maintenir séparées. Lorsque des cylindres intérieurs sont montés entre les cadres, il s'agit d'un seul grand moulage qui constitue un support majeur pour les cadres. Les boîtes d'essieu glissent de haut en bas pour donner une certaine suspension à ressorts, contre des toiles épaissies fixées au châssis, appelées « cornblocks ».
La pratique américaine pendant de nombreuses années consistait à utiliser des cadres de barres construits, avec la structure selle/cylindre de la boîte à fumée et la poutre de traînée intégrées à l'intérieur. Dans les années 1920, avec l'introduction de la « superpuissance », le lit de locomotive en acier moulé est devenu la norme, incorporant des cadres, des suspensions à ressort, des supports de mouvement, une selle de boîte à fumée et des blocs-cylindres dans une seule pièce moulée complexe, robuste mais lourde. André Chapelon développa une structure similaire mais de construction soudée avec un gain de poids d'environ 30% pour les locomotives mort-nées 2-10-4 dont la construction fut commencée puis abandonnée en 1946.
Carburant et eau
Généralement, les plus grosses locomotives sont attelées en permanence à un annexe qui transporte l'eau et le carburant. Souvent, les locomotives travaillant sur des distances plus courtes ne disposent pas d'annexe et transportent le carburant dans une soute, l'eau est transportée dans des réservoirs placés à côté de la chaudière soit dans deux réservoirs à côté (réservoir latéral et réservoir de sacoche), un au dessus (réservoir en selle). ou un en dessous (réservoir de puits) ; ceux-ci sont appelés moteurs de réservoir et ont généralement un suffixe « T » ajouté à la notation Whyte, par exemple 0-6-0T.
Le carburant utilisé dépendait de ce qui était économiquement disponible pour le chemin de fer. Au Royaume-Uni et dans d’autres régions d’Europe, les réserves abondantes de charbon en ont fait le choix évident dès les premiers jours de la machine à vapeur. Jusqu'en 1870, la majorité des locomotives aux États-Unis brûlaient du bois mais, à mesure que les forêts de l'Est furent défrichées, le charbon devint progressivement plus important. Par la suite, le charbon est devenu et est resté le combustible dominant dans le monde jusqu'à la fin de l'utilisation généralisée des locomotives à vapeur. La bagasse, un sous-produit du processus de raffinage, était brûlée dans les exploitations agricoles de canne à sucre. Aux États-Unis, la disponibilité immédiate du pétrole en a fait un carburant populaire pour les locomotives à vapeur après 1900 pour les chemins de fer du sud-ouest, en particulier dans le Pacifique Sud. À Victoria, en Australie, après la Seconde Guerre mondiale, de nombreuses locomotives à vapeur ont été converties au fioul lourd. Les chemins de fer allemands, russes, australiens et britanniques ont expérimenté l'utilisation de poussière de charbon pour allumer leurs locomotives.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, un certain nombre de locomotives de manœuvre à vapeur suisses ont été modifiées pour utiliser des chaudières chauffées électriquement, consommant environ 480 kW d'énergie collectée à partir d'une ligne aérienne équipée d'un pantographe. Ces locomotives étaient nettement moins efficaces que les locomotives électriques ; ils ont été utilisés parce que la Suisse avait accès à une électricité hydroélectrique abondante, mais souffrait d'une pénurie de charbon à cause de la guerre.
Un certain nombre de lignes touristiques et de locomotives patrimoniales en Suisse, en Argentine et en Australie utilisent du pétrole léger de type diesel.
L'eau était fournie aux aires d'arrêt et aux dépôts de locomotives à partir d'un château d'eau dédié relié à des grues à eau ou à des portiques. Au Royaume-Uni, aux États-Unis et en France, des abreuvoirs (bacs de voie américains) ont été installés sur certaines lignes principales pour permettre aux locomotives de reconstituer leur approvisionnement en eau sans s'arrêter, à partir de l'eau de pluie ou de la fonte des neiges qui remplissait l'abreuvoir en raison des intempéries. Ceci a été réalisé en utilisant une « écope d'eau » déployable installée sous l'annexe ou le réservoir d'eau arrière dans le cas d'un moteur à gros réservoir ; le pompier a abaissé à distance la pelle dans l'auge, la vitesse du moteur a fait monter l'eau dans le réservoir et la pelle a été relevée une fois pleine.
L'eau est un élément essentiel au fonctionnement d'une locomotive à vapeur ; car, comme le soutenait Swengel :
il a la chaleur spécifique la plus élevée de toutes les substances communes ; c'est-à-dire que plus d'énergie thermique est stockée en chauffant de l'eau à une température donnée qu'en chauffant une masse égale d'acier ou de cuivre à la même température. De plus, la propriété de se vaporiser (former de la vapeur) permet de stocker de l'énergie supplémentaire sans augmenter la température... l'eau est un milieu très satisfaisant pour convertir l'énergie thermique du carburant en énergie mécanique.
Swengel a poursuivi en notant qu'« à basse température et avec des puissances de chaudière relativement faibles », une bonne eau et un lavage régulier de la chaudière étaient une pratique acceptable, même si un tel entretien était exigeant. Cependant, à mesure que la pression de la vapeur augmentait, un problème de « moussage » ou « d'amorçage » se développait dans la chaudière, dans lequel les solides dissous dans l'eau formaient des « bulles à peau dure » ​​à l'intérieur de la chaudière, qui à leur tour étaient transportées dans les tuyaux de vapeur et pouvaient souffler les culasses. Pour résoudre le problème, de l'eau chaude concentrée en minéraux était délibérément gaspillée (soufflée) de la chaudière de temps en temps. Des pressions de vapeur plus élevées nécessitaient une plus grande purge d'eau hors de la chaudière. L'oxygène généré par l'eau bouillante attaque la chaudière et, avec l'augmentation de la pression de la vapeur, le taux de rouille (oxyde de fer) généré à l'intérieur de la chaudière augmente. Une façon de résoudre ce problème était le traitement de l’eau. Swengel a suggéré que les problèmes liés à l'eau contribuaient à l'intérêt pour l'électrification des chemins de fer.
Dans les années 1970, L.D. Porta a développé un traitement chimique sophistiqué de l'eau (Porta Treatment) qui non seulement maintient l'intérieur de la chaudière propre et prévient la corrosion, mais modifie la mousse de manière à former une « couverture » compacte sur la surface de l'eau qui filtre l'eau. la vapeur au fur et à mesure de sa production, la gardant pure et empêchant le transfert d'eau et de matières abrasives en suspension dans les cylindres.
Équipage
Une locomotive à vapeur est normalement contrôlée depuis l'arrière de la chaudière et l'équipage est généralement protégé des éléments par une cabine. Un équipage d'au moins deux personnes est normalement nécessaire pour faire fonctionner une locomotive à vapeur. L'un d'entre eux, le conducteur du train, est responsable du contrôle du démarrage, de l'arrêt et de la vitesse de la locomotive, tandis que le pompier est responsable de l'entretien du feu, de la régulation de la pression de la vapeur et de la surveillance des niveaux d'eau de la chaudière et de l'annexe. En raison de la perte historique d'infrastructures opérationnelles et de personnel, les locomotives à vapeur préservées fonctionnant sur la ligne principale auront souvent une équipe de soutien voyageant avec le train.
Équipements et appareils électroménagers
Toutes les locomotives sont équipées de divers appareils. Certains d’entre eux concernent directement le fonctionnement de la machine à vapeur ; tandis que d'autres sont destinés à la signalisation, au contrôle des trains ou à d'autres fins. Aux États-Unis, la Federal Railroad Administration a rendu obligatoire l'utilisation de certains appareils au fil des années en réponse à des problèmes de sécurité. Les appareils les plus courants sont les suivants :
Pompes à vapeur et injecteurs
L'eau (eau d'alimentation) doit être amenée à la chaudière pour remplacer celle qui est épuisée sous forme de vapeur après avoir délivré une course de travail aux pistons. Comme la chaudière est sous pression pendant son fonctionnement, l'eau d'alimentation doit être forcée dans la chaudière à une pression supérieure à la pression de la vapeur, ce qui nécessite l'utilisation d'une sorte de pompe. Les premiers moteurs utilisaient des pompes entraînées par le mouvement des pistons (pompes à essieu). Plus tard, des injecteurs de vapeur ont remplacé la pompe, tandis que certains moteurs utilisent des turbopompes. La pratique standard a évolué pour utiliser deux systèmes indépendants pour alimenter en eau la chaudière. Des tubes de verre verticaux, appelés jauges d'eau ou verres à eau, indiquent le niveau d'eau dans la chaudière et sont soigneusement surveillés à tout moment pendant le fonctionnement de la chaudière.
Chaudière en retard
De grandes quantités de chaleur sont gaspillées si une chaudière n’est pas isolée. Les premières locomotives utilisaient des lattes en bois profilées installées dans le sens de la longueur le long du fût de la chaudière et maintenues en place par des bandes métalliques. Les méthodes d'isolation améliorées comprenaient : l'application d'une pâte épaisse contenant un minéral poreux, tel que le kieselgur, ou la fixation de blocs façonnés de composé isolant tels que des blocs de magnésie. Dans les derniers jours de la vapeur, des "matelas" en toile d'amiante cousue étaient fixés et bourrés de fibres d'amiante (mais sur des séparateurs pour ne pas toucher tout à fait la chaudière) ; cependant, dans la plupart des pays, l’amiante est aujourd’hui interdite pour des raisons de santé. Le matériau le plus courant de nos jours est la laine de verre ou les emballages de papier d’aluminium.
Le revêtement est protégé par une enveloppe en tôle bien ajustée appelée habillage de chaudière ou revêtement.
Un retard efficace est particulièrement important pour les locomotives sans feu ; cependant, ces derniers temps, sous l'influence de L.D. Porta, une isolation « exagérée » a été pratiquée pour tous types de locomotives sur toutes les surfaces susceptibles de dissiper la chaleur, telles que les extrémités des cylindres et les parements entre les cylindres et les châssis. Cela réduit considérablement le temps de préchauffage du moteur avec une augmentation marquée de l’efficacité globale.
Soupapes de sécurité
Les premières locomotives étaient équipées d'une vanne commandée par un poids suspendu à l'extrémité d'un levier, la sortie de vapeur étant arrêtée par une vanne en forme de cône. Comme rien n'empêchait le levier lesté de rebondir lorsque la locomotive roulait sur des irrégularités de la voie, gaspillant ainsi de la vapeur, le poids a été remplacé par une colonne à ressort plus stable, souvent fournie par Salter, un fabricant bien connu de balances à ressort. . Le danger de tous ces dispositifs était que l'équipage de conduite pouvait être tenté d'ajouter du poids au bras pour augmenter la pression. La plupart des chaudières étaient dès les premiers temps équipées d'un robinet à tournant sphérique à chargement direct inviolable, protégé par un capot. À la fin des années 1850, John Ramsbottom a introduit une soupape de sécurité qui est devenue populaire en Grande-Bretagne à la fin du XIXe siècle. Non seulement cette valve était inviolable, mais une manipulation par le conducteur ne pouvait avoir pour effet que de relâcher la pression. La soupape de sécurité de George Richardson était une invention américaine introduite en 1875 et conçue de manière à libérer la vapeur uniquement au moment où la pression atteignait le maximum autorisé. Ce type de valve est actuellement utilisé presque universellement. La Great Western Railway britannique constituait une exception notable à cette règle, conservant le type à charge directe jusqu'à la fin de son existence distincte, car on considérait qu'une telle vanne perdait moins de pression entre l'ouverture et la fermeture.
Manomètre
Les premières locomotives n'indiquaient pas la pression de la vapeur dans la chaudière, mais il était possible de l'estimer par la position du bras de la soupape de sécurité qui s'étendait souvent sur la plaque arrière de la chambre de combustion ; les graduations marquées sur la colonne du ressort donnaient une indication approximative de la pression réelle. Les promoteurs des essais Rainhill ont insisté pour que chaque concurrent dispose d'un mécanisme approprié pour lire la pression de la chaudière et Stephenson a conçu un tube de mercure vertical de neuf pieds avec un voyant au sommet, monté le long de la cheminée, pour le Rocket. La jauge à tube de Bourdon, dans laquelle la pression redresse un tube enroulé de laiton ou de bronze de section ovale relié à un pointeur, a été introduite en 1849 et a rapidement été acceptée. C'est l'appareil utilisé aujourd'hui. Certaines locomotives sont équipées d'un manomètre supplémentaire dans le coffre à vapeur. Cela aide le conducteur à éviter le patinage des roues au démarrage, en avertissant si l'ouverture du régulateur est trop importante.
Pare-étincelles et boîtes à fumée
;Pare-étincelles et fumoir autonettoyant
Les poêles à bois émettent de grandes quantités d'étincelles volantes qui nécessitent un dispositif pare-étincelles efficace généralement logé dans la cheminée. De nombreux types ont été installés, le premier type le plus courant étant la cheminée Bonnet qui incorporait un déflecteur en forme de cône placé avant l'embouchure du tuyau de cheminée ainsi qu'un écran métallique couvrant la large sortie de la cheminée ; plus efficace était le type centrifuge Radley et Hunter breveté en 1850 (généralement connu sous le nom de pile de diamants) incorporant des chicanes orientées de manière à induire un effet de tourbillon dans la chambre qui encourageait les braises à s'éteindre et à tomber au fond sous forme de cendres. Dans le fumoir autonettoyant, l'effet inverse a été obtenu : en permettant aux gaz de combustion de frapper une série de plaques déflectrices, inclinées de manière à ce que le souffle ne soit pas altéré, les plus grosses particules étaient brisées en petits morceaux qui seraient éjectés avec le souffle, plutôt que de se déposer au fond de la boîte à fumée pour être retiré à la main en fin de parcours. Comme pour le parafoudre, un écran a été incorporé pour retenir les grosses braises.
Les locomotives des classes standard des chemins de fer britanniques équipées de fumoirs autonettoyants ont été identifiées par une petite plaque ovale en fonte marquée « S.C. », installée au bas du s.