Les machines à turbines

 

Remplacer l'embiellage par une ou plusieurs turbines est une solution qui permet de remplacer les mouvements parasites des bielles. Ces bielles créent en effet d'une part des efforts horizontaux qui se traduisent par un mouvement de lacet de la machine, et des efforts verticaux qui endommagent les voies. Les turbines, elles, du fait de leur mouvement rotatif, évitent à priori ces inconvénients.

L'usage des turbines s'est avéré efficace dans les machines fixes et les applications marines, ou la turbine à vapeur fait sa première apparition en 1897 sur un navire anglais expérimental de Charles A.Parson, le "Turbinia". Coté chemin de fer, la turbine fera une entrée discrète, avec la machine Italienne d'un professeur de technique milanais, Guiseppe Belluzo.

Des machines à turbines ont été utilisées en Angleterre, en Suède et aux USA. En France, une seule machine de ce type a été construite.

On peut dissocier les machines à turbines en deux catégories:

 


Locomotives à turbines à transmission électrique:

 

1893:La machine de Heilmann (FRANCE)

Ce curieux engin, mis au point par Robert Heilmann avait la particularité d'être propulsé par du courant électrique, courant produit par la machine elle-même. Le chassis repose sur deux boggies de 4 essieux, et supporte la chaudière à vapeur et une génératrice electrique, située à l'avant de l'engin dans une caisse en bois. La génératrice n'est pas mise en mouvement par une turbine, mais par un moteur à vapeur à 6 cylindres verticaux, d'une puissance de 1350 cv à 400tours/min. Un moteur à vapeur supplémentaire à deux cylindres permet l'alimentation d'une deuxième génératrice plus petite permettant l'exitation de la génératrice principale

Si cette machine n'est pas une machine à turbine, elle préfigure toutefois ce que sera par la suite les machines à transmission électrique.

 

 

1910: La machine à condenseur de Reid-Ramsay (GRANDE BRETAGNE)

Cette machine est d'une constitution assez voisine de la machine de Heilmann. Les bogies de 8 essieux comprenent un bogie porteur à 2 essieux et deux essieux moteurs. Quatre moteurs alimentés en 600V fournissent la puissance aux essieux moteurs. La génératrice est cette fois entrainée par une turbine tournant à 3000 tours/min, dont la vapeur n'est pas rendue à l'échappement mais passe vers un condenseur-éjecteur refroidi par l'eau froide des réservoirs. Le tirage de la chaudière avec surchauffeur était assuré par un ventilateur.

 

machine de reidramsay

1920: La machine à condenseur de Ramsay (GRANDE BRETAGNE)

Cette locomotive, du type 130+031, fournissait sa puissance à 4 moteurs de traction. Pesant 155 tonnes pour une puissance de seulement 1000cv, cette machine présentait en outre l'inconvénient majeur d'avoir un condenseur insuffisant. La machine sera détruite en 1924.

 

1938: La machine à condenseur de l'Union Pacific (USA)

L'Union pacific a construit une locomotive experimentale à turbine vapeur et propulsion électrique. Cette machine, du type 230+032, a plus l'allure d'une machine diesel, dont elle préfigure les équipements, chaudière vapeur exceptée. Deux trains de roues similaires de 2500 CV, indépendants, pouvant par ailleurs fonctionner séparement. Chacun des éléments produit sa vapeur, à l'aide d'une chaudière à tubes d'eau, à chauffe automatique au fuel. La turbine à vapeur compound tournait à 12500 tours/min était reliée à un réducteur de rapport 1/10 ,qui entrainait la génératrice électrique. Chaque élément de la machine comportait des condenseurs refroidis par 4 gros ventilateurs.
La génératrice fournissait le courant de traction de 700 Volts à six moteurs sur chaque élément. L'ensemble pesait 550 tonnes, et la locomotive a fait des trains d'essais sur différents réseaux: Union Pacific, Great Northen, New York Central Railway. Les essais prometteurs furent stoppés pendant la seconde guerre mondiale.

 

machine de l'union pacific

1947-1948: Les machines du Cheseapeake and Ohio RR (USA)

Trois machines de ce type ont été livrées par la Baldwin locomotive Works. Ces locomotives sont les plus grandes dans cette catégorie: du type 241+232+020, elle pèse 494 tonnes. Ce sont aussi les plus couteuses à entretenir, à faire circuler, ce qui explique leur durée de vie sur le réseau: trois ans.

Qui a des photos ou diagramme de ces machines?

 

1951: La machine du Norfolk and Western (USA)

Quatre ans après le flop du C&O, le N&W fait réaliser par Balwin-Lima-Hamilton la locomotive pour marchandises n° 2300. Cette machine, concue en coordination avec Babcox and Wilcox , possède une chaudière ou l'on peut regler automatiquement de nombreux paramètres, dans le but que la vapeur envoyée à la turbine est exempte de déchets. La turbine, tournant à 8000 tours/min, developpe 4500cv..

Malgré des gains de charbon de l'ordre de 30%, la machine sera retirée du service en 1958, en raison de l'arrivée du diesel mais également du cout d'entretien elevé de la partie régulation de la chaudière. Ce sera la dernière expérience en traction vapeur.

 

machine du Norfolk and western

 


Locomotives à turbines à transmission mécanique:

 

1907: La machine de Belluzo (ITALIE)

Cette petite machine expérimentale est construite par Mr Belluzo en 1907, sur la base d'une petite 030 de 1876 , transformée pour la circonstance en 020, afin d'étudier l'utilisation des turbines. La vapeur passait successivement à travers quatre turbines de petites dimensions avant de repartir à l'atmosphère. Les turbines entrainaient les roues independamment à l'aide d'engrenages.

 

1921: La locomotive à condenseur de Zolly (SUISSE)

Construite par les Swiss Locomotive Works, cette machine utilisait une turbine principale placée devant la boite à fumée, une turbine secondaire servant pour la marche arrière. La turbine de 1200cv entrainait un réducteur puis les essieux par l'intermédiaire de bielles d'accouplement. La vapeur passait à travers des condenseurs disposés le long de la chaudière, et refroidis par l'eau venant du tender.

1922: La locomotive à condenseur Krupp (ALLEMAGNE)

Cette locomotive développée en meme temps que la machine de Zolly est identique exeptée au niveau du condenseur, placé sur le tender et constitué de tubes donnant une grande surface d'évaporation. trois turbines additionnelles servaient par ailleurs à l'alimentation des auxilliaires. Durant une circulation en marche avant, l'ouverture accidentelle de la turbine de marche arrière mis un terme aux essais de cet machine.

machine Krupp

 

1924: La locomotive à condenseur Ramsay Macleod (GRANDE BRETAGNE)

Cette locomotive est la reconstruction par la North British Locomotive Compagny de la machine de Ramsay. Transformée en unité simple, porté par deux bogies actionnés mécaniquement par deux turbines. Chose interessante, la vapeur passe par une turbine haute pression montée sur le premier bogie puis passe par une turbine basse pression sur le deuxième bogie. Une "mallet à turbines", en quelque sorte.
La locomotive est du type 220+022, les essieux moteurs étant situés à l'intérieur. Un condenseur est situé à l'arrière de l'engin et est refroidi par air.

Malgré ces dispositions la locomotive ne fourni que 1000cv pour 135 tonnes, ce qui était insuffisant pour un service régulier.

machine de reidmacleod

 

1926: La machine anglaise du L.M.S (Grande Bretagne)

Le réseau du L.M.S railway a fait construire par la société suédoise Ljungstrom une machine à condenseur. Cette machine avait la particularité que la turbine était disposée sur le tender, qui était moteur, tandis que la chaudière était placée sur l'autre élément sans moteur.

machine du LMS

 

D'autres machines similaires furent livrées par cette société avec des caractéristiques très voisines:

 

1932: Grangesberg-Oxelosund (Suède)

Les compagnies Ljungstrom et Nydquist & Holm ont construit en 1932 une machine pour la traction des trains marchandises. Une turbine unique de 2000 chevaux était placée sous la boite à fumée, et entrainait les essieux à l'aide de bielles d'accouplement. Le changement de marche était obtenu à l'aide d'un dispositif de vis actionnant le réducteur de rapport 1/3 situé entre la turbine et la roue d'accouplement entrainant les essieux.

Cette machine était simple et robuste. Le gain de consommation en fuel est estimé à 10% par rapport à une machine classique, pour des couts de maintenance très faibles.

 

1935: La machine de Stanier (GRANDE BRETAGNE)

Le réseau du L.M.S.R, ayant appris le succès de la machine suédoise, décide de se lancer dans l'aventure des turbines. Il avait commandé en 1933 la construction de trois machines conventionnelles à 4 cylindres, du type Pacific 231. Seules deux machines sont terminées et le réseau décide d'utiliser les éléments de la troisième machine pour réaliser cet essai.
Le réseau fait appel à la société suédoise Lungstrom pour l'étude de la machine n°6202, et à la société Métropolitan Vickers.

Contrairement à la machine suédoise, deux turbines sont utilisées. La principale de 2600 CH sert à la marche avant et transmet l'effort de traction à travers un réducteur de rapport 1/3 tandis qu'une deuxième de petites dimensions est utilisée pour la marche arrière, avec un rapport de réduction plus fort.
La chaudière qui comprend des éléments de surchauffe et est interchangeable avec les chaudière des machines du type "Princess Royal"
Enfin la machine à la particularité de comporter des roulements à rouleaux sur les essieux porteurs et moteurs de la machine et du tender.

machine 6202

 

La machine n°6202 fonctionnera 15 ans, pendant lequel seuls deux accidents aux turbines seront relevés, dont un sur la turbine de marche arrière, qui sera remplacée. Malgré un nouvel élément mieux dimensionné, la machine sera toujours assistée pour les manoeuvres à la gare terminus de Euston de Londres.

En 1952, la machine est reconstruite en Pacific classique à 4 cylindres et devient la machine "Princess Anne" renumérotée 46202. Après l'accident de Harrow en octobre de la meme année, la machine irrécupérable sera ferraillée.

 

1938: Le projet du Nord (FRANCE)

En 1938, le réseau du Nord passe commande de 8 locomotives:

Trois des quatre machines 232R à simple expansion sont livrées entre janvier et avril 1940, puis les 4 machines compound 232S à la fin de l'année. Il est alors décidé d'acquerir la machine inachevée et d'y monter une turbine, celle ci se situant devant le premier essieu, les essieux étant couplés.

 

projet Nord

 

Finalement, le projet est abandonné et la machine sera achevée sous la forme d'une machine compound à quatre cylindres. Cette machine formidable, la 232U1 est conservée au musée de Mulhouse.

  

1940: La 232Q1 de la SNCF (FRANCE)

Construite en 1940 par la Société SCHNEIDER au Creusot, elle est motorisée à l'aide de trois turbines identiques actionnant chacune un essieu moteur, ce qui permet d'eviter totalement les bielles. Cette locomotive carénée est capable lors des premiers essais d'atteindre 140km et developpait 2600cv.

locatu

 

La machine, rapidement surnommée LOCATU par contraction de LOComotive A TURbines, à des caractéristiques suivantes: La vapeur, issue d'une chaudière timbrée à 25 kg/cm2 avec surchauffeur de type 5.P.4, est amenée vers trois turbines, chacune étant placée au dessus d'un essieu moteur. Cette disposition à trois turbines permet de supprimer complètement les bielles d'accouplement. Un dispositif d'antipatinage, pilote l'admission de vapeur de chaque turbine afin de réguler la vitesse de chaque essieu. Chaque turbine comprend 6 étages de marche avant et deux étages permettant la marche arrière. Un reducteur est constitué de deux trains d'engrenages, d'un rapport total de 1/20.11, transmet le mouvement à un arbre creux. Avec des essieux moteurs de 1.5m, la machine est donc capable d'atteindre 140km/h avec une turbine fonctionnant à 10000 tours/min.

 

Gravement endommagée en aout 1944, le prototype fut abandonné. Cette machine 232Q1 est donc la seule locomotive à turbines construite en France.

Quelqu'un a t'il d'autres photos de cette machine avec son carenage?

 

1946: la S2 du Pennsylvania RR (USA)

Le succès de la machine Anglaise de Stanier à conduit le réseau à envisager une machine à turbine. L'étude conduite conjointement par Baldwin Locomotive Co. et Westinghouse Electric Corporation démarre en 1940 sur la base d'une 242 aux dimensions plus grandes que la machine anglaise.
La seconde guerre interrompt l'étude, et quand en 1946 on rouvre les cartons, la pénurie de certains alliages conduit l'étude vers un type 343. La machine possède la particularité que la turbine principale située au centre du chassis transmet sa puissance par l'intermédiaire d'un rédusteur de rapport 1/2 simultanément au deuxième et troisième essieu, tandis que les premier et quatrième essieux sont reliés aux précedents à l'aide de bielles d'accouplement.
Une turbine additionnelle associée à un réducteur de rapport 1/4 permet la marche arrière.

La machine ainsi équipée assurera lea traction des trains de plus de 1000 tonnes.

 

la S2 du Pensylvania

la S2 du Pensylvania

 


Conclusion:

 

Les machines à turbines ont toutes connues un gros inconvénient: dessinées à l'origine pour etre comparées aux machines conventionnelles, elles ont été utilisées en service courant. Contrairement à leur soeurs, les pièces de rechange n'étaient pas disponibles, d'ou une immobilisation longue lors des casses de turbines. Malgré cela, et contrairement à d'autres projets, certaines d'entre elles ont eu une carrière relativement longue pour des prototypes. Mais turbines ou pas, la vapeur avait déja de serieux concurrents, nommés "diesel" et "électrique"..

En terme d'innovation technique, la 232Q1 était la seule machine à transmission mécanique totalement dépourvue de bielle, comprenant trois turbines en série, chaque turbine comprenant une section pour la marche arrière....Un grand pas, jamais franchi.

 


 

note: simple expansion signifie que la vapeur n'est utilisée qu'une fois, tandis qu'au contraire compound signifie que la vapeur est utilisée deux fois. En général, la vapeur passe d'abord dans 2 cylindres haute pression situés dans le chassis, puis repasse par les deux cylindres extérieurs à une pression plus basse. Sur les machines compound de type Mallet, les cylindres basse pression sont situés en général à l'avant de la machine, et sont reconnaissables car plus gros que les cylindres haute pression.

 


Pour en savoir plus:

Indépendant du rail numéro 16: Un article de trois pages sur les machines à turbines et le portrait de la 232Q1.

Historique des fabrications des locomotives aux usines du creusot.Charles Contassot Académie François Bourdon.
Cet ouvrage recapitule l'ensemble des machines vapeur, électriques et diesel sorties des usines du Creusot. Un petit article est consacré à la Locomotive à turbines.

Recueil de plans du Creusot. Ceux qui souhaitent des plans de la 232Q1 et des autres machines fabriquées peuvent trouver au Creusot des plans au 1/10ème.

Unconventional forms of motive powers: Pour ceux qui ne sont pas encore persuadés que la Grande Bretagne recèle des trésors, en voici un.