Les machines hydrauliques

L’hydraulique

L’hydraulique est l’ensemble des règles qui permettent de résoudre les problèmes relatifs à l’emploi et l’aménagement de l’eau.

Hydrostatique pour l’étude des conditions d’équilibre des fluides (pression, flottabilité etc.), hydrodynamique pour l’usage de l’eau comme force motrice, pour régler les problèmes d’écoulements et de distribution de l’eau.

L’hydraulique a été une des premières sciences appliquées :

– formation des sources et des cours d’eau,

– étude du régime des fleuves et des rivières, travaux nécessaires pour l’utilisation de l’eau comme moyen de transport (canaux, ports, écluses, etc.),

– hydraulique agricole : arrosage, irrigation, drainage,

– machines hydrauliques : pompes, moteurs.

Le cycle de l’eau une énergie renouvelable mais définie.

L’emploi et l’aménagement des eaux nécessite l’étude des conditions d’équilibre des fluides et de la répartition des pressions qu’ils transmettent.

Archimède, le premier, laisse un traité des corps portés sur un fluide.

Les Anciens connaissent plusieurs machines hydrauliques, la vis d’Archimède, le tympan et la chaîne à godets, et les moulins à eau, c’est-à-dire l’emploi de l’eau comme force motrice, datent du siècle d’Auguste. Au cours des siècles, c’est plus dans l’usage des matériaux que l’on progresse que sur le principe de base qui reste le même.

Puis, l’hydraulique réapparaît dans les carnets de L. de Vinci, mais c’est Torricelli qui est le véritable fondateur de la science de l’hydraulique (XVIIe siècle).

Il explique le mouvement de l’eau dans les pompes en démontrant la pesanteur de l’air, et note qu’un jet d’eau s’élève presque à la hauteur du niveau de l’eau du réservoir qui l’alimente.

1663 : Blaise Pascal dans son traité de l’équilibre des liqueurs démontre et raisonne les problèmes de l’hydrostatique.

1738 : Bernoulli publie son hydrodynamique qui contient le théorème qui sert de base à tous les calculs pratiques.

1735-1753 : Bernard Forest de Bélidor publie « l’Architecture hydraulique », un ouvrage qui reste classique jusqu’au milieu du XIXe siècle.

Dans la seconde moitié du XIXe siècle, loin d’être abandonné, l’emploi de l’eau comme énergie motrice se sophistique avec les conduites forcées de Bergès qui parle de « houille blanche », et avec le perfectionnement des turbines hydrauliques.

Le premier ascenseur hydraulique vraiment pratique est installé par Edoux, à Paris, à l’Exposition universelle de 1878. Il utilise l’eau sous pression distribuée par la ville. Ce système est destiné à l’élévation des matériaux aux étages supérieurs de bâtiments en construction. L’eau est amenée sous pression au sommet d’un échafaudage, on en remplit les vases qui servent alors de contrepoids pour faire monter des objets lourds. Faits d’une matière légère, les contrepoids sont remontés vides à la main sans grand effort. La dépense en eau de ce système devait être assez élevée.

1911 : Le plus grand ouvrage en maçonnerie du monde (à l’époque)

La technique des barrages est connue depuis fort longtemps, mais le barrage Roosevelt sur la Salt river dans l’Arizona, ouvre une nouvelle ère, celle des grandes réalisations du XXe siècle.

86 mètres de hauteur et 343 mètres de longueur de crête ; c’est le plus grand ouvrage en maçonnerie du monde et son appareillage de pierre rustique lui donne un air naturel dans le paysage rocailleux environnant.

Machine de Marly, 1682. Modèle au 1/25.

Cette gigantesque machine, qui fit l’admiration de toute l’Europe fut commandée par Louis XIV pour alimenter en eau les jardins du château de Versailles. Fin de lignée des grandes machines hydrauliques préindustrielles, elle fit pourtant son office, apportant au site exceptionnel de Versailles ce qui lui aurait cruellement manqué pour en faire un lieu à la gloire du monarque : l’eau.

Bélidor fait la description de cette machine dans son ouvrage « L’architecture hydraulique ».

« Comme alors, il suffisait qu’on eût quelques talents pour être écouté favorablement des ministres, un nommé Rannequin, du pays de Liège, homme de génie excellent pour les machines, fut assez hardi pour entreprendre de rendre les eaux aussi abondantes, à Marly et à Versailles, que si elles y eussent coulé de source.

La machine a commencé à agir en 1682 ; on prétend qu’elle a coûté huit millions… Il me paraissait ridicule de la donner pour modèle à ceux qui auraient recours à mon livre pour y chercher les moyens d’élever de l’eau…

Cette machine est située entre Marly et le village de Lachaussée ; à cet endroit, la rivière est barrée en partie par la machine, et par une passière (ou digue) qui fait regonfler les eaux. Pour ne point interrompre la navigation, on a pratiqué, au-dessus de Marly, un canal pour le passage des bateaux. On a aussi construit un brise-glaces à 30 ou 35 toises de la machine, pour empêcher que les glaces ou les bois entraînés par le courant ne l’endommagent.

Pour mieux garantir les vannes qui répondent au roues de la machine, on a fait encore un grillage de poutres, qui arrête tout ce qui serait échappé au brise-glaces.

La machine est composée de 14 roues. Elles ont toutes pour objet de faire agir les pompes qui forcent l’eau de monter jusque sur la tour élevée au sommet de la montagne, ou elle se réunit, à la sortie de plusieurs tuyaux, pour couler sur un aqueduc, et se rendre dans les réservoirs qui la reçoivent. »

Moteur hydraulique de construction métallique.

Modèle au 1/10.

Ce type de roue de côté à augets courbés avec vannage commandé automatiquement par un régulateur de Watt est très répandu à partir du milieu du XIXe siècle.

La roue de côté reçoit l’eau, à une hauteur, au-dessus du bief d’aval, égale à la moitié ou au deux tiers de son rayon ; l’eau, ayant alors une faible vitesse, n’agit que par son poids.

 

Roue de la turbine hydraulique d’Aristide Bergès

ayant fonctionné en 1869 à Lancey, sous une chute de 200 m. C’est une turbine centripète à axe horizontal.

Avec Bergès, l’énergie hydro-électrique entre dans sa phase industrielle. Il faut remarquer l’usure des aubages due au sable entraîné par l’eau, ce qui montre l’intérêt des chambres de décantation aux prises d’eau des installations de hautes chutes.

Bergès présente sa turbine à l’Exposition Universelle de 1889, il invente le terme de houille blanche pour frapper l’imagination.

Depuis 20 ans déjà, il a mis en route la première installation d’énergie hydraulique dans sa râperie de bois de Lancey, mais elle ne fournit que de l’énergie mécanique.

Depuis 20 ans, il aménage des conduites forcées, regarde la montagne et prend des notes: il y a là des millions de chevaux de force motrice presque gratuite acquis à l’industrie. Mais pour les applications électriques, il manque deux pièces au puzzle…la dynamo qui transforme l’énergie mécanique en électricité et la possibilité de transporter le courant sur de longues distances.

La révolution des turbines hydrauliques par rapport aux « roues à cuillères » employées depuis des siècles pour actionner les meules des moulins est d’utiliser non seulement la force de l’eau, mais aussi la réaction qui se produit lorsque le fluide en mouvement prend appui sur une paroi mobile, et donc d’éviter le choc de l’eau sur les aubes.

L’eau doit donc pénétrer sans choc appréciable dans les canaux formés par les aubes de la couronne mobile et sortir à la vitesse la plus faible possible,

c’est-à-dire strictement nécessaire pour satisfaire au débit.

Les turbines hydrauliques ou à vapeur sont employées en particulier couplées à des dynamos pour produire de l’électricité dans les centrales électriques et dans les avions à réaction de type turboréacteurs.  Aujourd’hui, la turbine hydraulique fournit environ le quart de l’énergie électrique consommée dans le monde.

Turbine de Fourneyron, 1827.

Modèle au 1/5 par Philippe, d’après les turbines des moulins de Saint-Maur.

La turbine hydraulique, sous la forme moderne que lui donne Fourneyron, représente une étape essentielle dans l’histoire des convertisseurs d’énergie. C’est une turbine centrifuge, recevant l’eau par un distributeur intérieur. La crapaudine qui supporte l’arbre vertical est portée par un levier qui permet d’en régler la hauteur.

La puissance de la turbine atteint des centaines de fois celle des moulins.

« Le mode d’action de l’eau, dans cette roue, m’a engagé à lui donner la dénomination de roue à pression universelle et continue, parce qu’en effet l’eau, introduite sur toute la circonférence de la roue, y agit en même temps sur tous les points. »

L’invention de Fourneyron diffuse rapidement vers les pays traditionnellement utilisateurs d’énergie hydraulique : France, Allemagne, Suisse, Autriche mais aussi vers les États-Unis.

Turbine à vapeur Rateau mise au point en 1901.

Modèle au 1/2 de 1910.

Puissance : 250 chevaux à 4 800 tours minute. La roue tournante triomphe du piston alternatif.

Diminution d’encombrement, de poids, de frais de graissage, de combustible, régularité de la vitesse, tels sont les avantages de cette turbine, dérivée des techniques hydrauliques.

En quelques années, la turbine se substitue aux machines à mouvement rectiligne particulièrement dans la marine et dans les centrales électriques.

Depuis que la machine à vapeur a révolutionné le système de production, les ingénieurs cherchent à obtenir d’elle le mouvement circulaire continu nécessaire à la commande de la plupart des outils : la première solution employée est celle du piston à mouvement alternatif associé à un système bielle-manivelle.

Puis, en 1883, le Français Laval puis l’Anglais Parson en 1884, construisent les premières machines rotatives à vapeur, c’est-à-dire les premières turbines à vapeur.

1901,  l’ingénieur français Auguste Rateau imagine de tirer mieux parti de l’énergie de la vapeur et conçoit une nouvelle turbine à impulsion qui utilise des basses pressions et permet d’utiliser les vapeurs rejetées par les machines d’extraction des mines et des laminoirs.

Les usines métallurgiques peuvent ainsi s’adjoindre une station centrale de 5 000 chevaux-vapeur sans autre dépense que la turbine et la dynamo .

Centrale hydraulique du barrage de Jonage, mise en service en 1934.

Sur ce modèle en coupe, on distingue la turbine hydraulique à axe vertical, surmontée de l’alternateur placé dans la salle des machines.

Bélier hydraulique

Modèle de démonstration du premier bélier automatique construit par Joseph Montgolfier en 1796.

Ce dispositif transforme en travail utile la puissance résultant de la surpression momentanée produite par l’arrêt brusque d’une colonne liquide en mouvement (fermeture brusque de l’orifice d’évacuation). Le rendement de la machine peut atteindre 80%.

Le premier bélier hydraulique, construit en 1772 par l’horloger anglais Whitehurst, exigeait la présence continuelle d’un manœuvre pour ouvrir et fermer le robinet. C’est pourquoi Montgolfier, dont l’appareil fonctionnait automatiquement, a toujours été considéré comme le véritable inventeur du bélier hydraulique.

Il est tout d’abord utilisé, à la fin du XVIIIe siècle, pour élever une partie de l’eau dépensée à un niveau supérieur à celui du bassin d’alimentation.

Au XIXe siècle, plusieurs inventeurs lui font subir des modifications en vue d’applications diverses :

bélier-pompe pour l’assèchement des étangs et des marais, bélier compresseur, employé par Sommeillier lors du percement du tunnel du Mont-Cenis pour comprimer dans un réservoir, l’air destiné à l’alimentation de ses perforatrices.

Le retard au fonctionnement des soupapes et la diminution de la vitesse de l’eau qui s’écoule dans le bief d’aval ont contribué à l’abandon de ce type de système.

Élévateur hydraulique, XVIIIe siècle.

Petit modèle de démonstration mettant en mouvement, par des engrenages, diverses pompes, vis hydrauliques etc., dans la tradition des théâtres de machines du XVIIe siècle, puis des cabinets de physique.

 

Ascenseur hydraulique pour canaux

construit par la société des anciens établissements Cail à l’écluse des Fontinettes, 1886.

Au lieu dit Les Fontinettes, une brusque différence de niveau de plus de 13 mètres entrave la rapidité de la navigation sur le canal de Neufossé emprunté par plus de 12 000 bateaux par an en 1880, entre les ports de Calais et Dunkerque et le reste de la France ou la Belgique.

Un bateau mettait plus de deux heures pour traverser les cinq écluses des Fontinettes. L’administration des Ponts et Chaussées met au concours en 1880 un projet d’ascenseur hydraulique permettant de transporter rapidement les bateaux d’un niveau à un autre en les laissant toujours à flot, condition indispensable à leur conservation. Le projet adopté est celui du système anglais Clark.

Cette œuvre gigantesque, simple à manœuvrer (un seul homme et une turbine de 50 chevaux pour actionner les pompes suffisent à mettre en mouvement une masse de plus de 1 500 tonnes) comprend 5 millions de briques, 1 000 mètres cubes de pierre de taille. L’assemblage de la partie métallique a nécessité plus de 88 000 rivets.

L’ascenseur n’est qu’une sorte de presse hydraulique dont les deux pistons, absolument égaux, sont couronnés de bacs immenses ; des portes mobiles ferment les bacs ainsi que les extrémités du canal amont et du canal aval. Lorsqu’un sas est en face du canal d’amont et l’autre en face du canal d’aval, les portes s’ouvrent et deux bateaux peuvent prendre place. On ouvre la vanne qui fait communiquer les deux corps de pompes et les bateaux changent de niveau.

Roue hydraulique à cuve.

Ce type de roue, utilisé d’abord dans des moulins à grain, est antérieur à la roue horizontale. Son usage a subsisté jusqu’au siècle dernier en Occident et se perpétue, aujourd’hui encore, dans certains pays.

Extrait du CD-Rom Musée des arts et métiers, l’Album