Watt détermina les propriétés de la vapeur, en particulier le rapport entre sa densité, sa température et sa pression. Il conçut une chambre de condensation séparée pour la machine à vapeur. Celle-ci permit d'éviter les énormes pertes de vapeur dans le cylindre et améliorèrent le degré de vide dans la machine. Le premier brevet de Watt, déposé en 1769, porta sur cet appareil et sur d'autres améliorations apportées à la machine de Newcomen : la chemise à vapeur, la lubrification à l'huile et l'isolation du cylindre afin de maintenir des températures élevées et d'assurer un rendement maximal.
À cette époque, Watt était le partenaire de l'inventeur britannique John Roebuck, qui finançait ses recherches. Il commença à fabriquer des machines à vapeur avec Watt. Watt poursuivit sa recherche et breveta plusieurs autres inventions importantes, dont la machine rotative permettant de faire fonctionner différents types d'appareils, la machine à double effet, dans laquelle l'admission de la vapeur était alternativement réalisée aux deux extrémités du cylindre, et enfin l'indicateur de vapeur, qui enregistrait la pression de vapeur dans la machine. Il se retira de la société en 1800. Par la suite, il se consacra entièrement à la recherche.
James Watt, grâce aux améliorations
conçut une machine à haut rendement dont le
mécanisme
est très simple.
1. La machine de Watt
Le
cycle de fonctionnement d'une machine à vapeur moderne est
décrit sur les figures 1a
à 1d. Sur la figure 1a,
lorsque le piston est à l'extrémité gauche du
cylindre, la vapeur admise dans le tiroir de distribution passe dans
le cylindre, par la lumière à gauche du piston. La
position du tiroir de distribution permet aussi à la vapeur
utilisée à l'extrémité droite du cylindre
de s'échapper par la lumière d'échappement. Le
mouvement du piston entraîne un volant qui, à son tour,
entraîne la bielle qui agit sur le tiroir de distribution. Les
positions relatives du piston et du tiroir de distribution sont
régies par les positions relatives de fixation du vilebrequin
et de la bielle du tiroir de distribution sur le volant.
Dans la seconde position, montrée sur la figure 1b, la vapeur du côté gauche du cylindre se détend et chasse le piston vers le centre du cylindre. Au même moment, la lumière se ferme, rendant le cylindre complètement étanche ! Ni la vapeur du cylindre ni la vapeur autour du tiroir ne peuvent s'échapper.
Lorsque
le piston continue son mouvement vers la droite sous l'effet de la
vapeur en détente, comme indiqué sur la figure 1c,
la lumière à l'extrémité gauche du
cylindre communique avec l'échappement par la soupape. Au
même instant, la boîte à tiroir, qui contient la
vapeur, communique avec l'extrémité droite du cylindre.
Dans cette position, la machine est prête pour la seconde phase
de son cycle à double action. Enfin, dans la quatrième
position (figure 1d), la soupape
ferme à nouveau les lumières des deux
extrémités
du cylindre, et le piston revient vers la gauche, chassé par
la détente de la vapeur depuis la partie droite du cylindre.
Le
type de soupape présenté sur ces figures est le tiroir
de distribution simple, qui est à la base de la plupart des
soupapes utilisées dans les machines à vapeur modernes.
Ces soupapes ont l'avantage d'être réversibles :
leur position relative avec le piston peut évoluer par
modification de l'excentricité de l'axe auquel elles sont
reliées, comme indiqué sur la figure 2.
Le tiroir de distribution a cependant de nombreux inconvénients, dont les plus importants sont les frottements et donc l'usure provoquée par la pression de la vapeur sur le dos de la soupape. Les soupapes des machines à vapeur ont donc souvent une forme cylindrique entourant complètement le piston, pour que la pression soit uniformément répartie sur toute la soupape et que les frottements soient ainsi minimisés. Le développement de ce type de soupape est attribué à l'inventeur et industriel américain George Henry Corliss. Dans d'autres types de tiroirs de distribution, la partie mobile de la soupape est conçue pour que la vapeur n'agisse pas directement sur le dos de la soupape.
Le réglage de la liaison entre le piston de la machine et la soupape d'admission de la vapeur a une grande influence sur la puissance et le rendement de la machine. En variant, dans le cycle de la machine, le moment de l'admission de la vapeur dans le cylindre, il est possible de modifier le taux de compression et de détente dans le cylindre, et de modifier ainsi la puissance fournie par la machine. Les systèmes de distribution sont d'une importance toute particulière sur les locomotives à vapeur, pour lesquelles l'effort demandé à la machine varie considérablement : l'effort est à son maximum au départ de la locomotive, et moindre quand elle roule à pleine vitesse.
Le volant est le complément important de tous les types de machines à vapeur. Il est actionné par la manivelle du piston. En raison de son inertie, le volant, habituellement en fonte lourde, met à disposition une puissance constante à partir des impulsions de puissance de la vapeur détendue dans le cylindre. Il permet ainsi à la machine de fournir un flux uniforme de puissance.
Dans les machines à vapeur à un seul cylindre, il peut arriver que la machine s'arrête au moment où le piston se trouve juste à l'une des deux extrémités du cylindre. Dans ce cas, on dit que la machine est au point mort, et il est impossible de la démarrer. Pour éliminer ces points morts, les machines à vapeur sont souvent équipées de deux ou trois cylindres couplés. La manière la plus simple de coupler les deux cylindres d'une machine est de disposer les deux manivelles sur le volant comme indiqué sur la figure 3. Pour un meilleur équilibrage, il est aussi possible d'utiliser une machine à trois cylindres dans laquelle les manivelles forment entre elles un angle de 120°. Le couplage des machines élimine non seulement les difficultés au démarrage, mais augmente aussi la puissance et la fiabilité des machines.
À la différence des machines classiques à un seul cylindre, le cylindre d'une machine compound reste constamment à la même température, ce qui améliore le rendement de la machine.
On
apporta encore des améliorations avec les machines mono-flux,
qui utilisent le piston comme soupape, et dans lesquelles toutes les
parties du cylindre restent approximativement à la même
température quand la machine fonctionne. Dans les machines
mono-flux, la vapeur se déplace toujours dans la même
direction pendant l'admission dans le cylindre, la détente et
l'échappement. Ce flux unidirectionnel est réalisé
par l'emploi de deux ensembles de lumières d'alimentation
à
chaque extrémité du cylindre, associés à
un seul ensemble de lumières d'échappement dans la
paroi au centre du cylindre. Le flux de vapeur à travers les
deux ensembles de lumières d'alimentation est
contrôlé
par des soupapes séparées. Le système est
tellement avantageux que des
machines
l'utilisant étaient habituellement choisies pour les grosses
installations, bien que leur coût initial soit
considérablement
plus élevé que celui des machines classiques.