CHAUDIÈRES A CIRCULATION LIMITEE OU A SERPENTINS

98. — Caractère général des chaudières à circulation limitée. — Le caractère particulier de ces chaudières consiste dans remploi de tubes qui s'élèvent en replis successifs et dont chacun reçoit Teau à sa base et dégage la vapeur à son sommet. Le mouvement de l'eau est ainsi limité à ce qu'il faut pour subvenir à Tévaporation et à Tentrainement de l'eau vésiculaire par la vapeur. Le mouvement des bulles de vapeur s'opère ainsi dans une eau presqu'immobile, et leur vitesse est toujours assez faible.

99. — Historique de la chaudière Belleville. — L'histoire de la chaudière Belleville a été celle de la chaudière tubuleuse marine elle-même,

Kebelle de 1/20

Générateurs de la Biche {Modèle 1856)

Coupe en éléTation]

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ng. 108

pendant une longue période. M. BelleviUe a été le premier, en effet, à aborder de front dans toute sa complexité, la question délicate de l'emploi des chaudières tubuleuses sur les navires ; il a appliqué une rare

Chaudière de F Argus

constance, et une grande fertilité de ressources, à la solution des problèmes variés qui surgissaient à chaque pas dans la voie qu'il a ouverte.

Les premières chaudières Bellevîlle furent essayées sur la Biche en 1856; elles se composaient de tubes verticaux en fer formant serpentins, dans lesquels l'eau circulait en sens inverse du courant de flamme extérieur (fig.108). La vaporisation s'y produisait instantanément; les derniers replis des serpentins, que frappait directement la flamme, ne contenaient que de la vapeur et servaient à la surchauffer. Les essais ne réussirent pas ; il en fut de même pour les chaudières de V Argus et de la Sainte-Barbe en 1861 ; mais les qualités personnelles de l'inven- ^'^%- i<^ teur furent très justement appréciées

par M. Mangin et M. Dupuy de Lôme qui encouragèrent ses recherches ultérieures.

Dix ans plus tard, les chaudières Belleville reparurent, avec des serpentins analogues à ceux de V Argus et composés de tubes horizontaux autour desquels la flamme s'élevait, de manière à rencontrer d'abord des tubes pleins d'eau. La vapeur était recueillie à la partie supérieure, par un tube transversal ou collecteur surmonté d'un second tube appelé diviseur avec lequel il communiquait par des orifices de très faible section (fig.llO). Cette disposition était destinée à prévenir les entraînements d'eau. Les nouvelles chaudières furent établies sur le transport la Vienne y l'aviso V Actifs quelques canonnières type Oriflamme^ et surtout sur les canots à vapeur dont l'emploi commençait à se répandre. Sur les canots, elles donnèrent d'assez bons résultats pour que le modèle, un peu modifié, ait été conservé jusqu'à Tépoque actuelle; la figure 111 représente une chaudière encore en service.

En 1869, la chaudière Belleville parut arriver à un degré suffisant de perfection, comme construction et comme fonctionnement, pour que Dupuy de Lôme l'adoptât sur le yacht V Hirondelle dont la vitesse exigeait remploi des hautes pressions. La figure 112 donne la coupe

transversale des premiers générateurs de Y Hirondelle ; on y voit le collecteur d'alimentation à la base et le collecteur, de vapeur au sommet, avec le tube diviseur placé au-dessus. La construction est celle des chaudières de canots; les serpentins sont composés de tubes horizontaux avec boites de raccord verticales.

Hirondelle (Modèle 1869)

Fig. 112 Tube diTisear

ït

Fig. 118

La principale innovation, sur les chaudières de l'Hirondelle, fut Tadop-

lion des régulateurs automatiques d'alimentation à flotteurs, encore en service sur les chaudières Belleville actuelles, qui seront décrits au n** 173. La régulation automatique avait paru indispensable pour maintenir les niveaux constants partout, dans douze générateurs, qui ne contenaient ensemble que 3.251 litres d'eau. Un épurateur vertical avait été disposé sur le tuyau de vapeur, pour arrêter Teau entraînée.

Hirondelle [Modèle 1872)

OlMMllMwJli^W/

Fig. 114

L'expérience acquise depuis lors ne permet pas de considérer le modèle 1869 comme capable de faire le service, qui était nécessaire sur VEirondelle ; on parvint cependant à exécuter le 21 mars 1870 un essai satisfaisant, dans lequel, en brûlant 97^,3 de charbon par mètre carré de grilles, on obtint 9^,3 de vapeur sensible sur les diagrammes par kilogramme de charbon. La consommation de charbon par cheval était de 11^,7, chiffre très acceptable avec des machines à simple délente. Plus tard ces résultats ne purent plus être reproduits, et, après une

année de fonctionnement pénible, la transformation des chaudières fut reconnue nécessaire.

Avec les parties en bon état des dix-huit premiers générateurs» on en refit neuf. La seconde moitié de l'appareil fut construite sur un modèle nouveau représenté sur la figure 114, dans lequel les tubes étaient inclinés et réunis par des boites de raccord horizontales, disposition adoptée définitivement depuis cette époque pour faciUter le dégagement de la vapeur. Sur le modèle 1872, les tubes diviseurs étaient conservés, comme unique moyen de régulariser le débit de vapeur. Les régulateurs d*alimentation à fiotteur étaient remplacés par d'autres appareils, actionnés par la différence de pression entre le haut et le bas de la chaudière, qui ont assez bien fonctionné, mais n'ont pas été reproduits.

Les essais comparatifs exécutés en 1873, entre les deux modèles de chaudières Belleville, sont encore intéressants à consulter, car on y rencontra des difficultés qu'il ne faut pas perdre de vue, même aujourd'hui, quand on installe de puissantes chaudières tubuleuses.

Les chaudières modèle 1869 eurent un fonctionnement irrégulier, dû surtout au mauvais dégagement de la vapeur. 11 se produisit des soulèvements d'eau complets, pendant Tun desquels tous les tubes des rangées inférieures, remplis de vapeur, vinrent à rougir. De plus, en raison de l'absence de réservoir de vapeur, le moindre incident de chauffe avait sa répercussion immédiate surTallurede la machine, dont le travail oscillait entre 660 et 985 chevaux ; Tirrégularité était surtout grande quand le charbon brûlait en couche mince; avec le charbon en couche épaisse, on produisait un excès de fumée, on faisait rougir la cheminée, on brûlait jusqu'à 2 1^,4 par cheval.

Sur les chaudières modèle 1872, la vapeur se dégageait mieux, mais d'autres inconvénients rendaient le résultat pire. Pour régulariser le débit de vapeur, on avait limité la section totale des tubes diviseurs à 7,64 centimètres carrés par chaudière. La dépression fut telle qu'avec la pression de quatre kilogrammes aux chaudières, qui correspondait à la charge des soupapes, on avait tout juste un kilogramme de pression aux machines. Quand on rendit aux tubes diviseurs une section convenable, pour ramener la dépression à 1 kilogramme ou lk,30, on eut de violents entraînements d'eau aux machines, et il fallut ralentir la combustion. Comme conséquence de l'irrégularité du fonctionnement, la production de vapeur par kilogramme de charbon resta très faible.

Après l'échec de V Hirondelle^ M. Belleville, moins découragé que jamais, jugea très sainement que son modèle 1872 ne péchait que par des détails, spécialement du côté de l'émission de vapeur. Il conserva donc toute la construction, qui n'a guère varié depuis lors ; il supprima

les tubes diviseurs, établit un coffre à vapeur ou séparateur^ et plaça sur le tuyau de vapeur un détendeur ou soupape régulatrice, dont l'effet, réglable à volonté, devait remplacer avec avantage celui des tubes diviseurs. Un tuyau de descente était disposé pour ramener Teau du séparateur au collecteur d'alimentation, en passant par un déjecteur où devaient s'accumuler les dépôts solides. La chaudière restait munie du régulateur automatique d'alimentation à flotteur, dont le réservoir portait le tube de niveau. Ainsi fut créé le modèle 1878, essayé avec succès en 1880 sur le Voltigeur^ dont l'emploi s'est bientôt répandu.

Les principales applications des chaudières Belleville ainsi disposées sont celles de la marine militaire française sur le Rigault-de-Genouilly, V Hirondelle {nouvel appareil), le Milan (fig. 14), V Alger ^ le Léger, le Lévrier, le Chamer, le Bruix, le Bugeaud, le Tréhouart, le Brennus, le Bouvet, etc. L'Amirauté anglaise les a essayées sur le Sharpshooter, et adoptées sur ses grands croiseurs Power fui et Terrible; d'autres marines de guerre ont suivi le même exemple. Enfin depuis VOrtégal en 1884, tous les paquebots des Messageries maritimes, Sindh, Australien, Polynésien, Armand-Béhic, etc., ont reçii des chaudières Belleville. Ce sont, en somme, de toutes les chaudières tubuleuses, celles qui ont été le mieux éprouvées et dont l'emploi laisse actuellement le moins de place à l'incertitude.

1 00.— Description de la chaudière Belleville. — La chaudière Belleville actuelle, c'esl-h-dire le modèle le plus nouveau, actuellement éprouvé par le service, se compose de rangées verticales de neuf ou dix tubes parallèles, inclinés de 2 à 3^ sur l'horizon. Deux files inclinées en sens inverse, dont les tubes voisins forment une fourche et sont réunis d'une file à l'autre par des boîtes de raccord horizontales, constituent un élément. Le niveau de l'eau est, en principe, au-dessus du cinquième tube, de manière à laisser quatre ou cinq tubes remplis de vapeur.

L'eau est distribuée aux divers éléments par le collecteur inférieur d'alimentation, de section rectangulaire, placé au-dessus des portes de foyers, dans lequel les boîtes de raccord inférieures prennent l'eau par un petit ajutage conique traversant la paroi supérieure, et auquel elles sont assemblées par une bride avec un simple boulon (fig. 119).

Le mélange d'eau et de vapeur émis à la partie supérieure des éléments se rend par de courtes boîtes de raccord dans le réservoir supérieur cylindrique, dans lequel se fait la séparation de la vapeur et de l'eau, et sur lequel sont établies les prises de vapeur.

Le principe des appareils divers d'assèchement d'un courant de vapeur, qui consiste à donner à la trajectoire des courbures brusques,

de telle sorte que les particules liquides aillent se déposer sur la paroi

extérieure concave du canal, parait avoir été appliqué pour la première

Chaudière du Cbarlemagne

Fig. 115 Fig. 115 hîs

fois dans les séparateurs de M. Belleville. Le profil des écrans placés longitudinalement dans le réservoir cylindrique, pour produire ainsi la séparation, a beaucoup varié ; les deux figures ci-après représentent la disposition la plus simple (fig. 117), et celle qui était adoptée en 1894 (fig. 116). Le bord des écrans est dentelé.

L'arrivée d*eau d'alimentation est dans le séparateur et au milieu de la vapeur, de manière à produire réchauffement immédiat. Le jet, lancé à une très haute pression, tombe sous forme de poussière liquide ; celle disposition a peut-être été imaginée, au début, pour produire une précipitation immédiate des sels ; M. Belleville comptait en effet sur la possibilité d'alimenter à l'eau de mer, grâce à cette précipitation et au fonctionnement des déjecteurs.

De chaque côté, une colonne de descente, formée d'un gros tube vertical, réunit le séparateur au collecteur d'alimentation, et se prolonge, en bas, par la boite de dépôts ou déjecteur.

Séparateur ou collecteur épurateur de vapeur et (Teau d alimentation.

Fig. 116

Si maintenant nous considérons le parcours des flammes, nous trouvons la grille, dont les barreaux ont maintenant la disposition ordinaire; l'ancienne grille Belleville a été décrite au n* 29, (fig. 26 et 28 bis). Les gaz chauds s'élèvent verticalement à travers le faisceau de tubes. Pendant très longtemps, le rendement des chaudières Belleville a souffert par suite du défaut de longueur des flammes, qui étaient refroidies avant combustion complète, et du défaut de longueur du parcours des gaz chauds, qui arrivaient à la cheminée avant d'être dépouillés de leur chaleur. La longueur du parcours des gaz a été accrue, en disposant quelques écrans horizontaux en tôle, formant des chicanes dans le faisceau tubulaire. La longueur de la flamme ne pouvant être augmentée, on y a obvié par un brassage énergique, qui permet à la combustion de s'opérer sur un parcours moindre; ce brassage a été obtenu avec l'ancien appareil Bourdon-Thierry, lançant au-dessus de la grille des jets de vapeur ou mieux d'air comprimé, qui, très peu efficaces dans les chaudières à longs foyers horizontaux, donnent au contraire, sur les chaudières Belleville, des résultats satisfaisants. La chaudière Belleville, ainsi améliorée, est devenue un appareil économique au tirage

naturel, pouvant même supporter un léger tirage forcé ; il ne faut pas toutefois lui imposer des intensités de combustion dépassant ilO à 120 kilogrammes par mètre carré de grilles, bien que l'essai ait été poussé plus loin.

L'enveloppe extérieure est en tôle mince, avec revêtement en maçon nerie de briques à la hauteur des foyers, et double enveloppe remplie d'escarbilles au-dessus; la façade est fermée par de simples portes.

Fig. 118

A Bléments générateurs. | F Collecteur d'eaa chaude des éléments D.

B Régulateur d'alimentation . I G Tuyau d'eau allant du régulateur B à Téco.

G Séparateur d'eau et de fapeur. I nomiseur D.

D Kléments économisenrs (réchauffeur d'ali- I H Tuyau d'eau allant de l'économisear D au

mentation). i séparateur G.

E Gol lecteur d'eau froide des éléments D.

Surface de grilles pour 8 générateurs 38*s,98

i chauffe • 85<) ,76

• » pour 8 économisenrs H87 ,59

Surface de chauffe totale 1344*>,85

Rapport à la surface de grilles 34 ,48

La chaudière Belleville vient de recevoir en 1896, une nouvelle forme, par l'addition d'un réchauffeur d'eau d'alimentation à la base de la cheminée ; en même temps le nombre des fourches, ou tubes doubles a été réduit de 10 à 8 dans les éléments principaux. La nouvelle chaudière est représentée figure 118. Elle est formée de la réunion de deux

chaudières, l'une au-dessus, Taulre au-dessous du séparateur. La température de l'eau s'élève en allant de bas en haut dans les deux faisceaux; il a paru trop dangereux de donner la direction inverse au courant d'eau dans le réchauffeur. L'eau d'alimentation réchauffée traverse le générateur. Les données principales sont, pour une chaudière double:

Surface de grilles

Sarface de chauffe

Surface de réchauffage d'alimentation

Raccordement cTun élément

avec le

collecteur d^ alimentation

Ces nouvelles chaudières, destinées à deux paquebots des Messageries et aux cuirassés anglais type Canopus^ n'ont pas encore été essayées à bord. Dans une chaudière à terre, les résultats ont été très satisfaisants ; l'économie de charbon annoncée est de 20 à 22 9é par rapport aux chaudières ordinaires à dix fourches. On espère pouvoir développer le tirage forcé.

101. — Détails de construction, — Des perfectionnements successifs, apportés depuis plus de quarante ans, ont fait de la chaudière Belleville un appareil remarquable sous le rapport de la construction. Toutes les pièces se montent sur place avec une grande facilité, ce qui dispense d'avoir les vastes panneaux d'embarquement, si souvent difficiles à établir. Le remplacement d'un élément dans lequel un tube serait avarié peut se faire dans deux heures. Le remplacement du tube lui-même, quand

on a pas d'éléments complets de rechange, peut se faire en quatre ou cinq heures. Il faut noter en particulier les boîtes de raccord aujourd'hui en acier moulé ; leur filetage présente une très légère différence sur la boîte et le tube, ce qui assure un portage étanche en un point; le joint est complété par une bague filetée, serrée sur un lit de mastic.La différence,entre le temps nécessaire pour remplacer un élément, et celui qu'exige le changement d'un tube dans un élément, tient à ce que les bagues peuvent rarement se dévisser après queltemps de chauffe; il faut donc les couper au burin. Les tubes eux-mêmes ne peuvent pas toujours se retirer des boites de raccord.

Les boîtes reposent les unes sur les autres par de petits tétons. Les tubes sont donc simplement tenus en place par leurs poids; toutes les dilatations peuvent se produire librement.

Fig.119

Les tubes ont de 82 millimètres à 118 millimètres de diamètre extérieur dans les chaudières de la marine de guerre^et 125 millimètres sur les paquebots. Leur écartement horizontal, est de 25 millimètres. Leur écartement vertical est de 30 millimètres pour les tubes de 82 millimètres, et respectivement de 30 millimètres et de 50 millimètres pour ceux de 115 millimètres et 125 millimètres. Leur épaisseur est de 10 millimètres, pour les deux et les trois rangées horizontales inférieures, et de 5 millimètres ou 6 millimètres, pour toutes les autres. Ces données subissent d'ailleurs quelques variations d'un appareil à Tautre.

L'adoption des tubes en fer sans soudure, étirés à chaud et calibrés à froid, a fait réaliser un sérieux progrès au point de vue de la durée et de la conservation. Malgré le soin pris, d'introduire un peu de chaux dans l'eau alimentaire, les tubes étaient autrefois très exposés à des piqûres locales; ils se décollaient même quelquefois à la soudure en cas de coup de feu.

102. — Propriétés générales. — Durée des chaudières Belleville. — Une des propriétés des chaudières Belleville est leur grande rusticité, leur permettant de supporter de mauvais traitements sans danger d'avaries. Elles n'ont rien à craindre des irrégularités de dilatation, ce qui permet de conduire vivement l'allumage et la mise en pression, de faire varier brusquement la chauffe, démettre bas les feux sans ménagement.

Le cintrage, parfois très accentué, que les tubes des rangées inférieures présentent après un service prolongé, ne compromet pas la tenue des emmanchements. Les tubes sont en état de supporter des pressions intérieures de 60 kilogrammes, et les séparateurs, des pressions de 20 kilogrammes, sans que la charge des matériaux dépasse 6 ou 7 kilogrammes par millimètre carré. Aujourd'hui divers modèles de chaudières tubuleuses possèdent les mêmes avantages; mais les chaudières Belleville en ont eu assez longtemps le monopole; c'est comme appareils inexplosibles que le constructeur les prônait, surtout pour le service à terre où Ton n'a pas à tenir compte des questions de poids et d'encombrement. Les garanties de sécurité contre les explosions ne doivent pas exclure toutefois les mesures de prudence dans la conduite des appareils. Les fuites de vapeur, par un tube simplement percé, peuvent être dangereuses; elles ont parfois infligé des brûlures graves aux chauffeurs qui ouvraient les portes de visite de la façade.

La chaudière Belleville est le seul modèle de chaudières tubuleuses employé depuis assez longtemps, pour qu'on eut pu avoir des notions exactes sur sa durée. On doit reconnaître que cette durée n'a pas une valeur déterminée, parce que les diverses parties de la chaudière s'usent

très inégalement. Comme le remplacement des parties endommagées est facile, on procède par une série de réparations partielles et non par un remplacement intégral. C^est dans ces conditions que le Voltigeur possède encore, après seize ans, ses chaudières primitives, Sur les canots à vapeur, on trouve parfois, au bout d'une dizaine d'années, les chaudières en assez mauvais état pour ne pas mériter la réparation; mais, à cette date, la plupart des tubes ont déjà été changés, et quelques-uns plus d'une fois, depuis la mise à bord.

103. — Poids et encombrement. — Dans leur état actuel les chaudières Belleville, pour grands navires, pèsent 5tx,85 par mètre carré de grilles, eau et accessoires compris ; on dépasse un peu ce chiffre pour les appareils déjà anciens comme celui de VAlgery on reste au-dessous pour les plus récents comme celui du Pothuau^ qui a réalisé une économie de 38 tonnes soit 11 % sur les prévisions. Les derniers appareils construits, Charlemagney Gaulois, Saint-Louis, ne pèsent que 5ix,35.

La division qui a été faite, à l'occasion des chaudières cylindriques, entre les éléments dont le poids dépend de la pression, ceux dont le poids dépend de l'intensité de la chauffe, et ceux dont le poids dépend seulement de la grandeur de l'appareil représentée par la surface de grilles, n'est pas très exactement applicable aux chaudières tubuleuses. Les tubes pressés intérieurement, qui composent la première portion pour une très grande part, n'auraient nullement besoin d'une augmentation de poids pour supporter des pressions doubles ou triples de celles auxquelles ils sont soumis. Cette remarque est particulièrement applicable aux chaudières Belleville qui ne comportent qu'un simple réservoir de peu d'importance, toutes les autres capacités soumises à la pression étant formées de tubes. Quoi qu'il en soit, pour avoir des nombres qui correspondent à ceux donnés pour les chaudières cyh'ndriques, la même division a été conservée, dans les tableaux du n** 188, où sont inscrits les poids des divers éléments des chaudières Belleville.

1 04. — Avantage particulier à la circulation limitée. — En terminant l'étude des chaudières à circulation limitée, il est important de remarquer que, dans ces chaudières, on peut régler à volonté la direction du courant d'eau, aussi bien que son intensité. Par suite, il est possible de faire marcher l'eau en sens inverse de la flamme, de mettre les parties les plus froides de la chaudière en contact avec la partie la plus refroidie de la flamme ou de la fumée, et, par suite de dépouiller les gaz chauds de leur chaleur d'une manière plus complète que dans les chaudières tubuleuses des autres systèmes .

Cette propriété sérieuse semble bien avoir été prise en considération dès le début par M. Belleville, et avoir inspiré la disposition de la chaudière primitive représentée figure 108. Elle a été utilisée plus tard par M. Herreschoff dans sa chaudière à serpentins hélicoïdaux, qui recevait Teau d'alimentation à la partie supérieure près de la base de la cheminée. Les chaudières Belleville des derniers modèles, dans leurs réchauffeurs d'alimentation, mettent en partie à profit cette même propriété.

La chaudière à pétrole du commandant Renard est aussi une chaudière à circulation limitée, dans laquelle les gaz delà combustion peuvent être refroidis jusqu'à la limite théorique de la température de l'eau d'alimentation. Cette dernière chaudière, d'une extraordinaire légèreté, est destinée à un genre spécial de navigation, la navigation aérienne, qui ne rentre pas dans le cadre de notre étude, mais dont les progrès pourront être un jour utilisés pour la navigation proprement dite.