RArpoRT entre le travail disponible sur l’arbre de

LA MACHINE ET LE TRAVAIL CALCULÉ D’aPRÈS LA PRESSION INIHALE DANS LA CHAUDIÈRE ET LES CONDITIONS DE LA DÉTENTE. II résulte des indications précédentes qu’aprés avoir calculé d'après la pression initiale dans la chaudière et les conditions de la détente le travail théorique qui [pourrait être développé sur le piston d’une machine à vapeur, il faudra, pour avoir une évaluation approximative du travail réellement disponible par chaque coup de piston, niulliplier le résultat du premier calcul 1' par un premier coefficient de réduction variant de 0,60 à 0,90 pour tenir compte de la perle de pression, 2* par un second coefficient de correction 0,80 à 0,85 pour tenir compte des pertes de travail sur les organes mêmes de la machine.

En multipliant ces deux coefficients l’un par l’autre on trouve pour produits extrêmes

et 0,90X 0,85 = 0,765,

ce qui revient à dire que le travail réellement disponible varie entre 0,48 et 0,75 du travail calculé d’après la pression dans la chaudière et les conditions de la détente.

Les nombres ainsi obtenus peuvent être appelés coefficient de construction, parce qu’en effet le constructeur doit en tenir compte lorsqu’il calcule les dimensions d'une machine qui doit

DES MACHINES A VAPEUR

produire un travail déterminé. On pourra se rapprocher surtout du coefficient maximum de construction 0,75 lorsque la marche de la machine ne sera pas trop rapide, que les conduits auront une grande section , que l’on emploiera des enveloppes de vapeur pour le cylindre et pour les couvercles, et que la détente sera plus prolongée.

Le coefficient minimum 0,40 ne devrait s’appliquer aujourd’hui qu’à des machines mal construites.

266. Observation sur la pression motrice moyenne dans les MACHINES A VAPEUR. Dans lout C6 qui précède nous n’avons considéré que l’action exercée par la vapeur sur l’une des faces du piston, mais il est évident qu’il faut en déduire l’action résistante soit de l’atmosphère, soit de la pression au condenseur exercée sur l’autre face, et qu’ainsi la pression P à introduire dans les formules servant à évaluer le travail utile doit être la différence entre la pression moyenne dans l’une des chambres et la pression moyenne dans l’autre pendant l’échappement.

C’est au reste cette différence qui est accusée par les diagrammes obtenus au moyen de l’indicateur et dans les calculs de la pression des machines à vapeur il est essentiel d’opérer de la même façon.

267. Rappel de la définition du cheval-vapeur. Nous avons dit déjà aux définitions que le cheval-vapeur correspondait à un travail disponible sur l’arbre de la machine de 75 kilogrammes par seconde.

C’est au moyen de cette unité que l’on estime le travail des machines à vapeur, et il est par conséquent nécessaire de déduire des formules précédemment indiquées l’évaluation du travail d’une machine à vapeur en chevaux-vapeur, ce qui se fera en divisant le travail exprimé en kilogrammètres par 75.

266. Travail en chevaux d’une machine donnée. Soit T le travail en kilogrammètres développé par chaque coup de piston sur le piston d’une machine à vapeur,

N le nombre de coups de piston par minute. .

DES MACHINES A VAPEOft.

Le travail en chevaux sera donné par la fonnnle TxN TN

ce qui revient à la règle suivante :

Pour connaître la force en chevmtx d’une machine à vapeur, multipliez le travail développé par coup de piston par le nombre des coups de piston par minute et divisez le produit obtenu par 4500, le résultat de la, dwision exprimera en chevaux-vapeur la fbree de la machine.

Exemple. Quelle est la puissance d’une machine locomotive à deux cylindres faisant 50 tours par minute, et dévdoppant à chaque coup de piston un travail disponible de 1500 kilogrammètres.

La formule donne

TN

Dans l’application de cette formule il y a lieu de remarquer que N représentant le nombre des coups de piston par minute, il faut tenir compte, dans chaque cas, du nombre de ces ctnips de piston qui correspondent à un tour de l’arbre moteur.

Dans l’exemple qui précède, chaque tour de roue correspond pour chaque cylindre à deux coups de piston et par conséquent à quatre coups de piston pour les deux cylindres; c’est pour cela que nous avons dû remplacer N dans la formule par 4X 50, ce dernier cbiDre représentant le nombre tours de roue par minute.

200. Formule basée sur la vitesse moyenne du piston. Si l’on calculait à l’aide des indications qui précèdent l’effort moyen £ exercé sur le piston d’une machine à vapeur et si l’on représentait par L la vitesse moyenne de ce même piston, le produit EL représenterait sous une autre forme le travail développé dans un cylindre, et pour avoir le travail correspondanl

DES MACHINES A VAPECH.

en chevaux il suffirait de diviser ce produit par 75 ce qui conduit à l’expression

qui est surtout Irùs-remarquable par sa simplicité, la vitesse moyenne du piston étant d'ailleurs une des données principales que le constructeur s’impose à l’avance, cette formule lui sera très-utile pour calculer les dimensions du cylindre dans un grand nombre de cas.

Si la machine était à deux cylindres chacun d’eux fournirait un nombre de chevaux indiqué par la formule précédente, et il faudrait doubler cette valeur pour connaître la puissance totale de la machine.

270. Formule simplifiée employée par la marine pour les MACHINES DE Watt A BASSE PRESSION, Daiis Ics anciennes machines de Watt où la pression motrice moyenne était de 1 atmosphère et la vitesse du pistou de 1 mètre environ par seconde,

la formule du numéro précédent revient à = — et si l’on

met pour E sa valeur 10000 x P X on trouve pour la valeur du travail en chevaux calculée en nombres ronds

lOOOOPXTt?^

c’est-à-dire que dans les conditions des machines de Watt le travail en chevaux développé sur le piston d’une machine est exprimé par le même nombre que le produit par 100 du carré du diamètre, exprimé en mètres, ou plus simplement encore par le carré du diamètre, exprimé en décimètres.

Exemple. Quelle serait la puissance en chevaux d’une machine de Watt dont le piston aurait 7 décimètres de diamètre.

Le carré de 7 étant 49 la puissance approximative de cette machine serait de 49 chevaux.

DES MACHINES A VAPEUH.

C’est au moyeu de celle formule que l’on évalue habiluellcment la puissance nominale des macliincs de bateaux, seulement on est obligé de prendre pour celle évaluation 2D’ pour tenir compte du travail développé collectivement dans les deux cylindres de la machine.

271. Formule simplifiée applicable a tous les genres de MACHINES. L’évaluation précédente s’appliquant aux machines dans lesquelles la pression motrice moyenne est de 1 atmosphère, et la vitesse moyenne du piston de 1 mètre, il suffirait de multiplier la valeur qu’elle donne pour le travail par la pression motrice moyenne cl par la vitesse moyenne en atmosphère lorsqu’on voudra évaluer à première vue la puissance en chevaux d’une machine donnée.

On aura alors pour l’évaluation de la puissance moyenne en chevaux

lOOD’xPL,

lorsque le diamètre D est exprimé en mètres ou simplement D*PL lorsque le diamètre D est exprimé en décimètres.

On arrive ainsi pour l’évaluation approximative de la puissance d’une machine à vapeur quelconque à la règle suivante ;

Faire le carré du diamètre exprimé en décimètres et multiplier successive me?U par la pression motrice moyenne exprimée en atmosphères et par la vitesse moyenne du piston.

Exemple. Quelle est la puissance d’une machine à vapeur à l seul cylindre dans laquelle le diamètre du piston est de k décimètres, lorsque la vitesse moyenne de ce piston est de r',10 et la pression motrice moyenne de 2 atmosphères.

Réponse : 16X2 x 1,10 = 35,20 chevaux.

Cette formule particulière est d’ailleurs soumise aux coefficients de réduction de pression et de réduction de travail dont il a été question dans les numéros 263 et 261.

Comparaison entre les différents systèmes de machines à vapeur.

272. CONSOM.MATION DE l’eau dans les machines a VAPEUR. La consommation de l’eau dans les machines à vapeur peut

DES MACHINES A VAPECR.

varier du simple au double, ou plus exactement de 12 à 30 kilogrammes par heure et par cheval disponible sur l’arbre de la machine.

Pour réduire la dépense au minimum de 12 kilogrammes, il faut tout à la fois employer une grande pression, 5 à 6 atmosphères, une grande détente, 5 à 10 fois le volume d’admission, de bonnes enveloppes de vapeur sur la paroi cylindrique et sur les couvercles, et obtenir, par le moyen de la condensation, un vide de 60 centimètres de mercure à l’échappement.

Le maximum de 30 kilogrammes n’est atteint que dans les anciennes machines, sans détente, sans condensation, sans enveloppe de vapeur, et chacune de ces circonstances a une influence marquée dans l’effet général.

875, Consommation du cCmbustible dans les machines a VAPEUR. Les limites entre lesquelles varie la consommation du combustible sont beaucoup plus étendues, et l’on trouve dans cette différence la preuve de l’influence prépondérante de la chaudière dans l’effet général.

Certaines machines à vapeur ne consomment que l‘,20 de houille par force de cheval et par heure; la consommation de certaines autres atteint et dépasse 5 et 6 kilog.

Pour que le chiffre de cette consommation puisse être abaissé à 1^,20 pour une vaporisation de 12 kilog. d’eau, il faut que la chaudière vaporise 10 kilog. d'eau par kilogramme de combustible, et ce rendement est très-difficile à atteindre.

Si nous comparons de même la consommation d’eau de 30 kilog. avec la consommation de combustible de 6 kilog., nous ne trouvons plus que 5 kilog. d’eau vaporisée par kilogramme de combustible, et ce faible rendement dénote que la chaudière fonctionne dans de très-mauvaises conditions. La meilleure machine n’obvierait que très-imparfiitement à ces résultats d’une mauvaise chaudière, et c’est principalement sur ce point que doit porter l’attention du constructeur et du propriétaire d’usine.

874.- Nombre de kiu3Grambiètres fournis par un mocRAMHE DE combustible. La consommation de combustible la plus favo*

DES MACHINES A VAPEUR

raWe se traduit par 270000 kilogrammètres de travail effectif par kilogramme de combustible; mais clic ne correspond souvent qu’à 225 000 kilogrammètres par kilogramme de combustible, et ce chiffre descend même jusqu’à 45 000 lorsque l’on considère une machine qui consomme 6 kilog. de combustible par force de cheval.

L’introduction du système à détcnle et à condensation de Woolf dans les machines d’épuisement de Cornouailles avait déjà conduit à un ti’avail utile de 1 72 000 kilogrammètres par kilogramme de combustible. On doit donc considérer Woolf comme l’auteur du perfectionnement le plus considérable qui ait été apporté jusqu’ici à l’œuvre de Walt.

On voit par les chiffres précédents que tous les perfectionnements apportés pendant les cinquante dernières années n’ont augmenté que de 50 000 kilogrammètres, ou d’environ un cinquième, rulilisation du combustible dans les machines les plus perfectionnées.

275. Influence de la pression initiale. Dans les machines à pleine pression, il n’y a pour ainsi dire aucun avantage à employer des pressions élevées. Si l’effort augmente avec elle dans une proportion notable, le volume de chaque kilogramme diminue à peu près dans la même proportion et par suite le travail reste à peu près le même.

Cependant le volume à développer )iar le piston étant moindre, pour la môme quantité de travail, on voit que la machine pourra être de dimensions plus petites si la pression est élevée ; quoique les fuites et les refroidissements croissent notablement avec la pression et avec la température, on aura souvent intérêt à profiler des avantages qui résultent de cette diminution de volume. Si la machine est à condensation, les contre-pressions, et par conséquent l’influence de ces contre-pressions, seront très-faibles. Le fait que nous venons d’indiquer sera dès lors absolument vrai, et c’est sans doute pour cette raison que Watt avait donné la préférence aux machines à basse pression avec condensation.

Lorsque la machine fonctionne avec condensation, les pressions élevées pour un travail donné, n’exigent qn’un moindre

DES MACHINES A VAPEba.

volume de vapeur, et par cela même le travail résistant de la contre-pression atmosphérique à l’échappement peut être notablement diminué. Mais il est essentiel de remarquer que celte dilTérence ne portant que sur la pression d’une atmosphère ne saurait avoir une grande influence sur les résultats. La haute pression n’a véritablement une grande importance que dans les machines à détente plus ou moins prolongée.

270. Influence de la détente. La détente peut augmenter le travail fourni par un kilogramme de vapeur dans une proportion considérable. Si, par exemple, nous considérons une détente prolongée jusqu’à dix fois le volume primitif, le logarithme hyperbolique de 10 étant 2,30, nous voyons que le travail développé sur le piston pendant la période de détente est plus que double de celui qui aurait été développé par la même quantité de vapeur pendant l’admission.

Mais il ne faut pas perdre de vue que cette augmentation de volume développé dans le rapport de l à 10, augmente dans la même proportion le travail résistant de la contre-pression. Il est donc absolument nécessaire que ce travail soit rendu aussi faible que possible par l’emploi de la condensation.

Toutes les maebines à grande détente doivent donc être à condensation. Dans les locomotives, oh cette condition est irréalisable, on ne peut employer qu’une détente Irês-restreinte.

La pression à la fin de la détente dépend toujours de la pression d'admission, et comme elle ne peut sans inconvénient tomber au-dessous de la contre-pression à l’échappement, il est nécessaire de produire cette admission à une pression élevée. On peut estimer d’une manière générale que les grandes détentes diminuent lu consommation de combustible de 0,25 à 0,50 de la consommation totale.

277. Avantages SE LA DÉTENTE VARIABLE. Les organes d’ime machine à vapeur sont en général disposés pour résister aux efiorts qui se développent pendant la période d’admission, et ils sont dès lors parfaitement appropriés à la prolongation de ces efforts, dans le cas où l’on voudrait prolonger la période d’admissioa. ’

DES MACHINES A VAPEUR

On peut ainsi augmenter dans une proportion plus ou moins considérable le travail développé sur le piston, et par conséquent le travail disponible de la machine.

Les dispositions de détente variable offrent donc la double faculté :

1® De donner une certaine quantité de travail, de la manière la plus économique, par l’emploi normal d’une grande détente ;

2® De développer, lorsqu’il en est besoin, une quantité de travail notablement plus grande, mais avec une consommation de combustible relativement plus élevée.

Celle variabilité de la puissance d’une machine peut être, dans certains ateliers, d’un grand intérêt.

278. Avantages de la détente automatique. La plupart des machines à vapeur sont munies d’un modérateur qui a pour objet de régler le travail disponible sur l’arbre du moteur à la juste mesure du travail que dépense l’usine qu’il conduit.

Anciennement l’action du modérateur s’exerçait sur une valve, qui, en étranglant plus ou moins le passage, dans le conduit d’amenée, réduisait dans la proportion convenable la pression de la vapeur avant son admission dans la chaudière. On transformait ainsi une machine à pression plus élevée en une machine à pression moindre, suivant les conditions du service.

Depuis l’emploi des grandes détentes et des distributions à détente variable, le modérateur est plus utilement employé à faire varier, suivant les besoins du service, l’étendue de l’admission. La maclüne effectue alors, d’une manière automatique, ^ ce que ferait le mécanicien en changeant les conditions de la détente. La vapeur est alors admise, dans tous les cas, avec sa pression maximum et par conséquent dans les conditions les plus favorables sous le rapport de l’économie du combustible.

Tout en recommandant l’emploi de la détente variable par l’action du régulateur, il faut dire cependant que la plupart des dispositions proposées pour la solution de ce problème sont un peu délicates, et introduisent des complications telles dans la

DES MACHINES A YAPEtJH.

construction qu’il est bon d’en limiter l’emploi aux seules usines, qui ont à leur disposition des mécaniciens habiles et soigneux.

279. Influence des enveloppes de vapeur/ L’emploi des enveloppes sur le cylindre et sur le couvercle est absolument indispensable dans les machines à grande détente, parce que l’expansion de la vapeur dans le cylindre, refroidit considérablement les parois de celui-ci ; et si ces parois n’étaient maintenues chaudes, au moyen d’une enveloppe de vapeur convenable, le refroidissement de la vapeur introduite au coup de piston suivant serait tel que la pression initiale serait notablement diminuée, et avec elle toutes les pressions de la période de détente.

Il faut donc considérer les enveloppes de vapeur comme des accessoires obligés de toutes les machines à grande détente. Dans certaines locomobilcs, ou autres machines de petites dimensions on arrive au même résultat, sinon à un résultat meilleur encore en plongeant le cylindre tout entier dans le dôme de la chaudière.

Dans les machines qui ne fonctionnent ni à grande détente ni à condensation, les enveloppes de vapeur peuvent être plus simplement et plus économiquement remplacées par des enveloppes de bois ou de feutre, qui suffisent pour empêcher les effets de la radiation extérieure.

Le piston qui se meut toujours entre les deux chambres du cylindre, alternativement chaudes et froides, présente à la vapeur lors de son introduction une cause de refroidissement trèsfêcbeuse. C’est 5 ce point de vue que l’introduction d’un courant de vapeur, entre les deux faces du piston formant enveloppe, doit être considérée comme une innovation importante surtout dans les machines à grande section, à grande détente et à con- • densation.

280. Influence du surchauffaue de la vapeur. On se met en partie à l’abri des condensations en surchauffant la vapeur jusqu’à une température telle que l’on soit assuré de la complète vaporisation de toute la quantité d’eau mécaniquement entraînée. Ce surchauffage s’obtient par deux procédés essentiellement dif-

DES ECHINES A VAPEUR.

férents, soit au moyen de la chaleur perdue des gaz brûlés, soit au moyen d’un foyer spécial.

Ces deux procédés peuvent être dangereux lorsque la vapeur est produite par une grande chaudière, produisant par .ellemême de la vapeur peu chargée d’humidité, parce que dans ce cas il est très-facile de dépasser, dans le surchaufîage les iimites convenables, attendu qu’à une température trop élevée les graisses sont décomposées et que les frottements peuvent occasionner l’usé des pièces ; la vapeur trop sèche peut d’ailleursprodui|ie les mêmes inconvénients et déterminer, même à une température relativement peu élevée le grippement du piston. Dans les chaudières à vaporisation rapide les mêmes inconvénients sont peu à craindre en ce que la chaleur tout entière des gaz brûlés ne serait pas suffisante pour assécher la vapeur produite au point de la rendre nuisible au bon fonctionnement de la machiné."

C’est donc dans ces limites seulement que le surchauffage doit être pratiqué, avec toutes les précautions nécessaires. Il peut alors donner lieu à une économie notable sur laquelle l’on ne saurait toutefois porter une estimation générale.

Dans les machines à enveloppe et à grande détente le surchauffage ne produirait en général aucune économie; dans les machines à faible détente et sans enveloppe, desservies par des chaudières à vaporisation rapide l’économie du surchaufîage peut s’élever quelquefois à 25 ou à 30 pour 100.

281. Influence de la condensation. La condensation a pour effet de réduire à quelques centimètres de mercure la contrepression atmosphérique mesurée par 76 centimètres, et comme cette contre-pression agit avec le même effort pendant toute la course du piston , la différence au point de vue du travail est considérable.

Dans une machine fonctionnant à cinq atmosphères et à ^pleine pression, la condensation peut économiser près dm cinquième du iravail développé.

Dans iune tmachine fonctionnant* à cinq atmosphères avec détente prokiDgée jusqu’à cinq fois le volume d’admission, la

DES MACHINES A VAPEOR. 259

contre-pression atmosphérique représente plus du tiers du travail total développé sur le piston. La condensation détermine dans ce cas une économie qui s’élèverait au quart de la dépense totale.

On voit donc que, dans tous les cas, la condensation est la source d’une économie notable variant entre 20 et 30 pour cent. Elle est surtout considérable pour les machines à grande détente, mais elle est telle encore dans les autres cas qu'elle ne sanrnit être négligée que dans ceux où elle est impraticable , comme dans les locomotives, et la plupart des machines locomobiles, et lorsque l’on manque tout à fait de la quantité d’eau nécessaire.

#B2. Eau NÉCESSAIRE a "la condensation par cheval- Vapeur. On a cm pendant longtemps que la condensation était d’autant meilleure que l’on injectait une plus grande quantité d’eau froide, mais il est bien établi maintenant que par suite de la présence d’une certaine quantité d’air, dissoute dans l’eau d'injection, une trop grande dépense d’eau pourrait donner lieu à un vide moins parfait. Si cet air représente par lui-même une pression de quelques centimètres de mercure, sa présence détermine une limite infranchissable, d’autant plus élevée, que la quantité d’eau injectée à chaque coup de piston sera plus grande.

Les expériences les plus récentes semblent éteLlir que l’injection doit être limitée à environ 350 kilogrammes d’eau par cheval et par heure ; un plus grand volume serait plus nuisible qu'utile. On voit que cette quantité d’eau représente plus de 15 fois celle nécessaire à la vaporisation.

L’importance de la condensation est telle que, dans cer-^ taines localités où l’eau manque, on ne craint pas d’établir de longs conduits, non-seulement pour la recueillir, mais encore pour faire circuler l'eau de condensation, que l’on ramène ensuite au condenseur, après abaissement convenable de sa température, dans un parcours quelquefois très-prolongé.

S83. Choix a faire entre les différents systèmes de ha-

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CHINES A VAPEUR. Lcs indications qui précèdent font voir que les machines les plus économiques sont celles qui fonctionnent à grande pression (6 atmosphères), à grande détente et à condensation. C’est à elles que l’industriel devra recourir toutes les fois qu’il ne sera géné ni par l’emplacement, ni par la dépense de premier établissement, ni par l’impossibilité de se procurer facilement l’eau nécessaire à la condensation.

Lcs autres machines consommant beaucoup plus de combustible ne seront préférées qu’eu égard à certaines convenances spéciales.

Lcs machines locomotives ne pouvant être à condensation fonctionneront à grande pression et avec détente limitée.

Les cylindres des machines locomobiles seront autant que possible placés dans le dôme de vapeur, ou tout au moins bien enveloppés; ils auront aussi une détente peu prolongée, mais surveillés par des mécaniciens moins spéciaux ils seront en général alimentés à une pression moindre.

Les machines de bateaux seront généralement à faible détente, mais pour une autre raison, puisée dans la nécessité de réduire autant que possible l’encombrement produit par la machine et ses accessoires.

Quant aux machines fixes, hors les cas où l’on se déciderait en faveur d’une machine construite de manière à dépenser très-peu de combustible, et du genre de celles que nous pouvons appeler machines économiques, on préférera autant que possible la condensation qui donne toujours un avantage certain; on se contentera d’une détente moindre, parce qu’elle entraîne une dépense moindre et exige beaucoup moins de place.

On pourra encore se décider dms le môme sens pour les machines servant à de longs intervalles, par exemple pour remplacer des moteurs hydrauliques dans les cas de sécheresse et de grandes eaux.

Quant aux dispositions de détail les plus convenables à adopter, elles se rattachent davantage à la construction. Nous nous proposons de les indiquer dans les numéros qui traitent de cette partie importante de nos indications générales sur les machines à vapeur.

DES MACHINES A VAPEUR

Dispositions diverses des machines à vapeur.

284. Machines a bielle directe. Les machines à vapeur les plus simples, au point de vue du nombre et de la disposition des organes, sont celles dites à bielle directe, dans lesquelles la transmission de mouvement entre le piston et l’arbre moteur se fait par le seul intermédiaire d’une bielle et d’une manivelle.

Introduite par Taylor dans les machines à cylindre horizontal celte disposition a été plus tard utilisée dans certaines machines verticales, mais on l’avait compliquée par l’emploi de galets servant de guides au mouvement rectiligne de la tige du piston.

Aujourd’hui ces galets sont complètement abandonnés ; ils se détériorent rapidement et n’offrent aucun avantage par rapport à des glissières bien faites et disposées de manière à pouvoir compenser facilement les effets de l’usé.

Les machines à bielle directe dans lesquelles le cylindre est horizontal ou peu incliné, sont d’une application générale dans les locomotives et dans les locomobiles. Cette même disposition est devenue aussi la plus générale pour les machines fixes des ateliers, bien qu’elle exige, pour les chambres dans lesquelles ces machines doivent être renfermées, de grandes longueurs.

La disposition verticale du cylindre est plus avantageuse sous ce rapport , mais elle ne saurait comporter pour les grandes puissances une suffisante stabilité. Elle a d’ailleurs l’inconvénient de porter l’arbre moteur à une grande hauteur audessus du sol, et elle ne convient que pour les cas où celte surélévation de l’arbre s’accorde avec les dispositions générales de l’usine.

En navigation et môme dans un grand nombre d’ateliers anglais, on se sert de la machine à bielle directe, mais en disposant le cylindre à la partie supérieure avec la bielle et la manivelle au-dessous. Les machines dites machines-pilons sont d’un trèsbon emploi, mais surtout pour de petites puissances.