Le carnet du CFC

Le chemin de fer électrique Heilmman

Marc André Dubout

Jean-Jacques Heilmann (1853-1922), ingénieur, a inventé et breveté le principe du fonctionnement électrique d'une locomotive vapeur-électrique. L'électricité est produite par un générateur à vapeur qui entraîne un dynamo qui fournit le courant à des moteurs installés sur chacun des huit essieux. 
Cette locomotive construite en 1892 au Havre et portait le nom La Fusée électrique. Elle a été mise en fonctionnement sur la ligne Paris-Le Havre en 1894.
M. Heilmann a construit une usine au Havre pour réaliser ses fabrications. Il revend cette usine à la Société Westinghouse.

La première fusée électrique
Propriétaire de la Société Industrielle de Moteurs électriques et à vapeur située au Havre, M. Heilmann marie la vapeur et l'électricité dans une locomotive autonome qu'il construit en 1892. Cette machine pourvue de moteur électriques remplace le système mécanique des bielles dont le mouvement alternatif donne un mouvement d'oscillation.
Il donne aux Forges et Chantiers de la Méditerranée la réalisation de la locomotive.


La première Fusée électrique  de 1892 (Coll. BNF Gallica)

Le prototype pèse 110 tonnes et ne dépasse pas les 100 Km/h. Le nom de Fusée semble mal approprié.
Monté sur un châssis de 16,31 m. hors tampon, lui-même supporté pas deux bogies de quatre essieux, l'ensemble comprend une chaudière à foyer Belpaire, une machine à vapeur qui entraîne une dynamo alimentant huit moteurs placés sur chacun des essieux.

Ce véhicule électrique autonome visait à éliminer les moments d'oscillation déséquilibrés et le « coup de marteau » causé par l' action de la manivelle de la locomotive à vapeur conventionnelle. Une machine à vapeur fixe produisait la vapeur  qui alimentait un générateur électrique entraînant des moteurs électriques via le contrôle des rhéostats et des interrupteurs. 

La machine à vapeur était conçue par Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) à Winterthur en Suisse et la chaudière construite aux Forges et Chantiers de la Méditerranée au Havre. Le châssis et les bogies de la locomotive ont été construits par la Compagnie de Matériel de Chemins de Fer. L'équipement électrique a été conçu et construit par Brown, Boveri & Compagnie à Baden, Suisse, tandis que le châssis et les bogies de la locomotive ont été construits à la Compagnie de Matériel de Chemins de Fer.
La machine à vapeur était compound horizontale à deux cylindres de 600 à 800 CV tournant à 300 à 400 tour/minute avec des cylindres montés transversalement qui avaient 425 et 650 millimètres de diamètre par 300 mm de course. Ils étaenit alimentés en vapeur par une chaudière de type Lentz, fonctionnant à une pression de 12,6 atmosphères. 
La chaudière avait une surface de grille de 2,25 m2 et une surface de chauffe de 145 m2.
Une machine auxiliaire de 20 CV entraînait directement une dynamo, de type Gramme à courant continu, évaluée à environ 500 kW (1200 A - 400 V) qui tournait à 300 tours/minutes. Cette dynamo servait à alimenter l'éclairage électrique des voitures.
Les huit moteurs de traction étaient connectés en parallèle pour la commande à basse vitesse, et pouvaient être connectés en série en deux ensembles de quatre, connectés en parallèle.
Ces moteurs, d'une puissance de 80 à 100 chevaux chacun, étaient situés dans deux bogies à quatre essieux (Do-Do). 
Le freinage était assuré par des freins à air Westinghouse, avec des freins à disque montés sur toutes les roues. 
La cabine unique était dans la partie électrique (avant de la locomotive).

Le 21 août 1893, la première locomotive électrique française fit ses tout premiers tours de roue sur une voie ferrée intérieure aux Forges et Chantiers de la Méditerranée.
Lors des premiers essais la machine révéla une puissance normale de 600 CV et une surpuissance de 800 CV.
La machine à vapeur fixe tournait en 360 et 600 tours/mn. La dynamo fournissait 1025 Ampères sous une tension de 400 Volts, soit une puissance de 400 KW.
Une dynamo auxiliaire servait à la fois d'excitatrice pour la génératrice principale et pour l'éclairage électrique du train. Il y avait huit moteurs électrique, un par essieu. 
Il fallait trois agents pour conduire la machine : un chauffeur, un mécanicien  et un conducteur-électricien dans la cabine à l'avant.

Les premiers essais officiels de la locomotive ont commencé le 2 février 1894, effectuant un aller-retour du Havre à Bréauté-Beuzeville (sur la voie ferrée Paris – Le Havre), choisie pour ses dénivelés difficiles dont une dénivellation de 8 % sur plus de 10 kilomètres. 
Le train d'essai se composait de la locomotive (entièrement alimentée et pesant 118 tonnes), de quatre nouveaux wagons de première classe, d'un wagon dynamométrique et de deux fourgons contenant une tonne de batteries. Le poids total du train était de 173 à 183 tonnes, selon le nombre de passagers. Les vitesses ont été augmentées au cours des courses suivantes : la première course moyenne 51,5 kilomètres par heure (32,0 mph), sur la quatrième course la vitesse moyenne était de 59,4 kilomètres par heure (36,9 mph), avec des vitesses de 55 kilomètres par heure (34 mph) sur le 8 ‰ de pentes et 70 kilomètres à l'heure en palier.
Le 9 mai 1894, La Fusée Electrique effectue un essai de la gare Saint-Lazare (Paris) à Mantes-la-Jolie, transportant un train composé de huit voitures. 
Le trajet de 53 kilomètres a duré 55 minutes. La vitesse de 107 kilomètres par heure aurait été atteinte. Après l'essai, la locomotive a transporté un train de service régulier à Paris. Des essais ont montré que le moteur utilisait 15 % moins de charbon qu'un moteur à vapeur conventionnel. On disait que la locomotive roulait "comme une voiture Pullman ". 
Cela dit les inconvénients étaient que la locomotive était" trop compliquée, trop coûteuse, trop lourde ". 
Elle parcourut environ 2 000 kilomètres d'essais. 

De gauche à droite, la cheminée surmontant la boîte à fumée, le corps de la chaudière, encadrée des soute à eau et à charbon, puis la machine fixe positionnée transversalement et entraînant la dynamo. Le reste de l'espace est consacré à la cabine du conducteur. La machine circule cheminée en arrière, contrairement aux locomotives conventionnelles.

L'avant d'une locomotive à vapeur et l'arrière d'une locomotive électrique.

Le 1er mai 1894
En gare de Mantes-Embranchement, la locomotive Heilmann participa à un train d'essai. M Heilmann affairé sur le quai reçu un bouquet de fleurs de la part du Chef de gare et du Chef de dépôt. 
À 8h30, on attelle à la machine une rame de sept voitures et dix minutes plus tard, c'est le signal du départ.
Accrochée à l'envers le train a une allure inhabituelle. En effet, la cabine est à l'avant de la machine et la chaudière à l'arrière, encadrant la machine à vapeur et la dynamo.
Sur le quai une foule participe à cette première.

 

La cabine en forme d'étrave est recouverte de bois. Deux hublots sur le devant livre visibilité à la voie.
Bien vite le pont de Limay est franchit puis sans arrêts, le train gagne Meulan où il marque un arrêt devant la foule qui l'attend.
Malgré sa centaine de tonne, la machine est souple à conduire et puissante à tracter. Sa puissance encore jamais égalée par une locomotive à vapeur en fait sa force.
La machine redémarre en douceur. Après la halte de Thun, M. Heilmann stoppe la machine à vapeur et la dynamo fournit une charge capable de maintenir une vitesse de 72 Km/h.

Une locomotive d'avant garde
Sur bien des points, cette locomotive révolutionna la traction et la presse accueillit assez favorablement cette invention. Elle faisait rupture avec la locomotive traditionnelle par son innovation technologique (vapeur-électrique) son design moderne avec sa cabine aérodynamique qui pour la première fois abritait l'agent de conduite alors que les locomotives à vapeur n'avaient encore que des cabines ouvertes aux intempéries.

Cela dit par rapport aux machines classiques de l'époque dont le poids n'excédait pas 50 tonnes, son poids de 110 tonnes fut perçu comme un handicap pour la voie, les ouvrages d'art, pour la tare à déplacer et par conséquent le rendement. 
Un autre point négatif était soulevé : il fallait pas moins de trois agents pour la conduire et sa mécanique se révéla compliquée en entretien.

Les 8001 & 8002

Deux plus grosses locomotives ont été commandées pour d'autres essais sur le CF de l'Ouest pour la ligne Paris—Dieppe en espérant un parcours réalisé en deux heures.
M. Heilmann dans les années 1896, créa une locomotive électrique alimentée par une caténaire entre les gares de Saint-Germain-Ouest et Saint-Germain-Grande-Ceinture. Cette même année il créa la Société Industrielle des Moteurs électriques et à Vapeur et construisit une usine au Havre pour la production de locomotives.
Les machines 8001 & 8002 virent le jour et un essai fut effectué entre le Champ de Mars et Achères.


La 8001 près du Champs de Mars à Paris avec son tender-fourgon.


CF de l'Ouest N° 8001 & 8002 locomotives type Do'Do" (deux fois 4 essieux moteur).

On retrouve le principe de la première dont on ne connaît pas le numéro. Les bogies sont à quatre essieux supportant chacun un moteur électrique. Le châssis en poutre rivetée est renforcé et le chaudron est entièrement métallique. L'avant de la cabine, toujours en forme d'étrave est plus fine et deux fenêtres rectangulaires ont remplacé les hublots.

En novembre 1897, la Fusée électrique fit un essai entre Paris Saint-Lazare et Mantes avec une rame de treize voitures, essai auquel la presse fut invitée en vue d'en diffuser largement l'information.

Les deux moteurs à vapeur, construits par Willans et Robinson Rugby à Warwickshire au Royaume-Uni, développaient 1350 CV au lieu des 600-800 CV du prototype. Deux dynamos en bout d'arbre moteur fournissaient le courant électrique pour alimenter les moteurs de traction montés sur chaque essieu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La chaudière à foyers Belpaire de 13 m3 d'eau nécessitait une tonne de charbon à l'heure. Le poids de la machine atteignait 124 tonnes, poids inégalé à l'époque sans compter les 45 tonnes du tender-fourgon nécessaire pour une autonomie de trois heures de course.

 

 

Les huit roues motrices étaient disposées sur deux bogies à quatre essieux et avaient un diamètre de 1,160 m.

Écartement standard (1435 mm.)
Longueur 28,35 m
Largeur  2,74 m
Hauteur  4,19 m
Poids de la locomotive 124 t 
Soute à eau 20 m3
Pression de la chaudière 14 bars
Surface de chauffe 185,50 m2 
Surface de grille 3,34 m2

 

Les caractéristiques des 8001 & 8002

Le 12 novembre 1897, un essai est effectué entre Paris-Saint-Lazare et Mantes-la-Jolie et retour. Le 18 novembre, une course d'essai de 115 kilomètres a été faite avec une charge de 50 tonnes.
Un essai ultérieur, tractant une charge de 250 tonnes, atteignit une vitesse de 100 Km/h.

D'autres compagnies de chemin de fer, comme la Rivière Ohio, chemin de fer Madison et du Sud aux États-Unis et le Chemin de fer du Sud en Russie, ainsi qu'au moins un en Allemagne, ont montré de l' intérêt pour les locomotives à vapeur-électrique, malheureusement aucune suite ne fut donnée. 
La traction vapeur-électrique ouvrit néanmoins la voie aux locomotives diesel-électriques et turbines à gaz qui, elles, nées à la bonne époque eurent des descendances..
En 1905, lors de la création d'une des premières locomotives diesel-électriques, on l'a assimilée à une machine basée sur le principe de Heilmann mais c'était un moteur diesel que entraînait la dynamo qui à son tour fournissait du courant électrique aux moteurs engrenés aux roues motrices.

La Fusée Electrique a été démantelée en 1897, les bogies furent utilisés pour deux locomotives électriques qui ont été employées sur le chemin de fer de 4 kilomètres entre Saint-Germain-Ouest et Saint-Germain-Grande-Ceinture.

Une maquette au dixième de la locomotive prototype réalisée en 1903 se trouve dans la collection du Conservatoire National des Arts et Métiers, à Paris.

Une invention innovante restée sans suite

La dernière invention de l'ingénieur fut le train Heilmann composé de trois voitures toutes automotrices et munies de bogies entraînés par 12 moteurs électriques montés sur l'essieu.

Alors que la presse relate à plusieurs reprises les divers essais, cette dernière par la suite resta silencieuse. On appris que la Compagnie de l'Ouest se désintéressa du projet de M. Heimann peut-être parce qu'entre temps la vapeur avait progressé rapidement, ou peut-être parce que la 8001 était trop lourde et que son prix de revient trois fois supérieur aux locomotives classiques fut un sérieux handicap.
En 1901, les deux dernières locomotives Heilmann furent ferraillées. 

Cela dit les innovations de M. Heilmann ouvrirent les portes à la traction diesel-électriques qui reprenait le principe sauf que l'électricité était produite par un moteur diesel et non plus par une machine à vapeur impliquant de surcroît une chaudière.
Avec le train Heilmann, on retrouve la traction presque automotrice dans les "Standard" qui accouplés présentaient une configuration motrice-remorque sur toute la longueur de train (huit véhicules) ou encore le RER MI 61 avec deux automotrices encadrant une remorque.

En résumé

La première véritable locomotive construite selon la conception de Heilmann était un prototype de locomotive vapeur-électrique avec une chaudière, une machine à vapeur, un générateur et des moteurs intégrés dans une seule locomotive. La construction a commencé en 1892 et était achevée en août 1893. Elle était nommée Fusée ou Fusée Électrique.

Par la suite deux autres locomotives 8001 & 8002 plus puissantes ont été construites en 1897 pour les Chemins de Fer de l'Ouest.
Ces machines étaient spécialement adaptées aux trains à grande vitesse sans les coûts élevés d'une infrastructure électrifiée, en évitant la pose d'une caténaire. La première locomotive était pourvue d'une machine à vapeur à triple expansion de 600 ch. et un générateur (fournissant 480 CV à 80% d'efficacité attendue).

Heilmann conçu également un train formé de véhicules automoteurs.

La revue La Nature en fait une description

Un article de la Société des Ingénieurs civils, année 1891 - Volume 155 - Premier semestre

 

 

Dans sa séance du 20 février 1891, le professeur M. E. Polonceau donne la parole à M. Heilmann pour sa communication sur "Un nouveau système de chemin de fer électrique" - page 105
Dans cette prise de parole, M. Heilmann présente un nouveau type de chemin de fer électrique dans lequel chaque véhicule est muni de moteur de traction. Un véhicule de ce type de train produit l'électricité par un système moteur-génératrice. Ce type de train pourrait atteindre une vitesse de 80 Km/h en rampe de 5 %o et une vitesse de 120 à 130 Km/h en palier.
Ce train serait exclusivement formé de véhicules à bogies dont un par véhicule serait muni de moteur électrique. Le véhicule produisant l'électricité se composerait d'une machine à vapeur triple expansion de 600 chevaux entraînant une dynamo, ce qui permettrait de recueillir sur les essieux une puissance de 480 CV répartis en 12 moteurs sur un train de trois voitures plus le véhicule de production d'électricité et le fourgon tender soit au total 170 tonnes.
Les avantages de ce système est la diminution de résistance totale du train, l'adhérence des nombreux essieux moteurs répartis sur tout le convoi et les démarrages plus rapides.

 

Dans son numéro 1080 de La Nature du 10 février 1894, page 162, parle des essais de la locomotive Heilmann qui sont consignés dans la revue.

Dans son numéro 1081 La Nature du 17 février 1894, page 178, donne la description détaillée de la locomotive accompagnée de dessins.

D'autres réalisations Heimann

 
Deux tramways électriques à accumulateurs, système Heilmann, construits à 35 exemplaires pour la Compagnie des tramways de  Paris et du Département de la Seine (TPDS) en 1897.

 

 

Sources :

 

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