PRÉLIMINAIRE

1. — Les machines ^ vapeur sont les moteurs thermiques danslesquels une vapeur, généralement la vapeur d'eau, est le fluide qui subît les transformations du cycle ; Tétude calorifique de ces machines est faite dans le S"^ fascicule du présent ouvrage, mais, à raison de son importance, Tétude organique a dû en être détachée pour recevoir le développement qu'elle comporte.

La vapeur opère suivant deux modes connus ; dans l'un de ceux-ci^ l'énergie s'exerce par pression sur un piston mobile, ou, d'une manière plus générale, sur les parois extensibles d'une enveloppe qui contient le fluide ; les pièces rattachées au piston ne sont que des organes de transmission, dont l'étude rentre dans celle des mécanismes. Dans le second procédé, jusqu'aujourd'hui exceptionnel, l'énergie se dépense sur Je fluide lui-même, auquel elle s'incorpore sous forme de force vive sensible ; celle-ci est utilisée par réaction, comme dans les turbines hydrauliques ; cette classe de machines, qui commence à peine à se développer, parait appelée à un grand avenir.

2. — Notice historique (*)*-^ Si on fait abstraction de la machine à réaction de Héron (200 ans avant [notre ère), qui se présente comme une invention isolée, et des découvertes de Salomon de Caus (1615), du

1. Pour l'histoire de la machine à vapeur, consulter : la notice d'Araga (1829), l'ouvrage de Farey (A Treatise on the Steam Engine, 1827) et celui de Tredgold {The Steam Engine, 1838). Parmi les ouvrages modernes, nous signa* lerons V Histoire de la Machine à vapeur, pa,r R.-H. Thunton (traduction de J, Hirsch); l'introduction historique, de Ruehlmann (Allgemeine Maschinen-lehre, t. I«r, p. 488 à 531) ; l'ouvrage de F. Reuleaux, intitulé : Kursgefasste Geschichte der Dampfmaschine (Brunswick, Vieweg) qui s'étend jusqu'à nos. jours.

marquis de Worcesler (165Q), et de Thomas Savery (1698), dans lesquelles la pression de la vapeur était directement employée à élever Teçiu au préalable aspirée dans un réservoir par la condensation, le principe de la machine à vapeur moderne se trouve pour la première fois dans un appareil décrit par Denis Papin en 1690, et qui probablement n'a jamais été réalisé; l'idée en était inspirée par la machine à poudre de Huyghens.

Denis Papin. — Dans la machine proposée par Papin, la vapeur, admise à la pression atmosphérique sous un piston, était condensée par refroidissement extérieur du cylindre ; la période de condensation était donc la seule phase motrice de cet appareil à simple effet; Papin abandonna ensuite son idée pour se tourner vers les pompes de Savery, qui commençaient à fonctionner industriellement.

Newcomen. — Thomas Newcomen réalisa en 1705, de concert avec Cawleyy la première machine industrielle à piston, qui fut immédiate- ment employée pour l'épuisement des mines. Les dispositions en sont trop connues pour qu'il soit utile de les rappeler ici; au début, le cylindre était refroidi par une aspersion d'eau extérieure, le piston était rendu aussi étanehe que possible par une garniture de chanvre ou de cuir sur laquelle on maintenait une légère couche d'eau pour préserver le joint.

On prétend qu'une fuite accidentelle de cette garniture, en déterminant d'une manière inattendue une injection d'eau froide dans le cylindre, occasionna la découverte de la condensation par mélange. Deux manœuvres étaient nécessaires, celle du robinet d'admission de la vapeur, au commencement de la course ascendante du piston, et celle du robinet d'injection, au commencement de la course descendante. Ces mouvements, produits d'abord à la main, furent rendus automatiques en 1713, par un jeune machiniste nommé Humphrey Polter ; Beighton imagina peu de temps après le premier /ei^ de fers rudimentaire, d'où est sortie la distribution compliquée des machines d'exhaure, telles qu'elles ont été employées pendant plus d'un siècle. Le dispositif de Beighton a donné aux machines de Newcomen leurs caractères définitifs; les machines de ce système, que construisit plus tard Smeaton, avaient jusqu'à 6 pieds de diamètre, et 9 1/2 pieds de course.

On doit à Smeaton les premiers calculs élémentaires qui aient été faits sur les machines à feu, et aussi, pensons-nous, l'emploi de la cataracte.

Ces premières machines anglaises se répandirent sur le continent, en France, et jusqu'en Hongrie; elles y conservèrent longtemps la vogue sous leur forme primitive, même après les perfectionnements importants que Watt y eut apportés à la fin du siècle dernier (*).

La machine à vapeur' s'est donc présentée d'abord invariablement liée à un jeu de pompes, et a servi à produire un mouvement alternatif; elle a été appliquée aux souffleries des hauts-fourneaux vers 1784. L'idée de la transformation du mouvement rectiligne en mouvement de rotation était si peu dans l'esprit des mécaniciens du

temps, que Smeaton, pour obtenir le mouvement '^^'" f : -r \

de rotation nécessaire aux moulins, proposait d'employer Teau élevée par une machine de New- " comen à actionner une roue hydraulique à augets; les premières machines de rotation ne datent que du temps de Watt.

Au point de vue économique, le cycle de la machine de Newcomen est imparfait sous deux rapports : il utilise sans détente la vapeur à une pression voisine de la pression atmosphérique,, donc à faible température, de plus, il est fortement affecté par un effet de paroi que l'injection dans le cylindre même et la lenteur de marche (8 à 10 coups par minute) contribuent à augmenter. Dans la figure! se trouve représenté en abc d le diagramme thermique probable d'une machine établie par Smeaton,

1. Une machine de Newcomen existe encore à Ashton-under-Lyne, non loin de Oldham, à l'état de ruine, elle est arrêtée depuis environ 70 ans; une photographie en a été reproduite par Engineering (1894, 2« sera., p. 448).

La première machine importée en France est sans doute celle de Fresne, près de Condé, soigneusement décrite par Bélidor {Architecture hydraulique, 1782); d'après Perronet, une machine à feu fut établie à Saint- Ghislain (Hainaut) avant 1785. Des machines de Newcomen, avec leur jeu de fers primitif et Tinjection dans le cylindre, ont été établies en Belgique vers 1820; Pune d'elles, démontée aujourd'hui, fonctionnait encore à Cbapelle-lez-Herlaimont, sur un puits de la Société de Mariemont et Bascoup, il y a environ dix ans.

Les premières machines importées d'Angleterre en Amérique pour l'épuisement des mines ont été établies en 1753; elles ont pénétré dans les Pays- Bas en 1777 pour être employées à des opérations d'assèchement.

Le seul spécimen de ces machines encore en fonctionnement est probablement celui que signale M, Bryan Donkin {Engineering, 1895, Notes on an Old rfewcomen Engine hear Bristol)\ le cylindre a 5 1/2 pieds de diamètre et 6 pieds de course, il est alimenté par de la vapeur à 2 4/2 livres; la garniture de piston est en vieilles cordes. Cette machine parait remonter à 1745.

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Fig. 1.

consommant 1136 livres de charbon à l'heure pour une puissance de 108 chevaux. Le cheval de Smeaton n'était que de 22680 livres-pieds par minute, le cheval actuel ou de Watt corresponde 33000 de ces unités. La consommation ci-dessus équivaut donc à 7 kilogrammes de charbon par cheval actuel, et nous avons admis, pour établir le diagramme, que la chaudière ne produisait que 6 kilogrammes de vapeur par kilogramme de houille; sur la même figure se trouve représenté en a'h'&cd le diagramme thermique d'une machine monocyliudrique moderne .

Watt (1769). — A partir de 1769 jusqu'en 1815, Thistoire de la machine à vapeur est à peu près entièrement contenue dans les patentes successives de James Watt (*) qui s'associa à cette époque avec Boulton, déjà établi à Soho près de Birmingham.

La première patente de Watt énonce le principe que le cylindre doit être maintenu aussi chaud que la vapeur qui y entre, et marque l'emploi de l'enveloppe de vapeur entourée de revêtements calorifuges pour atteindre ce résultat; en outre, la vapeur est condensée dans un récipient séparé, maintenu aussi froid que possible, et d'où l'air est extrait au moyen d'une pompe.. Cette spécification n'est accompagnée d'aucun dessin, mais les documents conservés établissent que Watt avait surtout en vue le condenseur à surfiice, auquel Cartwright revint quelques années plus tard; le3 machines de Watt se montrent cependant pourvues du condenseur à injection. La même spécification indique aussi l'emploi possible de la vapeur à haute pression sans condensation, et décrit une machine rotative qui n'a jamais été réalisée.

Les machmes construites d'après cette première patente étaient à cylindre ouvert, comme celles de Newcomen ; mais en 1774, Watt ferma ce récipient au moyen d'un couvercle, avec bourrage pour la tige de piston, et adopta un autre mode de fonctionnement comportant, pendant la course descendante ou motrice, l'admission sur la face supérieure et la condensation sur la face inférieure du piston; pendant la course ascendante, la vapeur se transvase de la face supérieure à la face inférieure au moyen d'une soupape dite d'équilibre (7® fascicule, n^ 67).

1. Voir, outre les ouvrages déjà cités: Engineering, 1879, l®»* sém., p. 401, The Heslop Engine, a Chapter in the History of the Steam Engine, 18^3; 2« sem., p. 495, The Inventions of Watt and his Models preserved at Handsworth and South Kensington ; 1881, 2^ sem., p. -476, ancienne machine de Trevithick datant de 1804, conservée à Crewe par M. Webb ; 1887, W sera., p. 205, vieilles ponapes à la houillère Denby près de Derby.

NOTICE HISTORIÛUE 5

Le grand avantage de cette disposition était d'empêcher les rentrées d'air autour du piston, un bourrage étant beaucoup plus facile à maintenir étanche que les garnitures en chanvre se mouvant dans un cylin" dre non alésé Ç). Récemment, on a reconnu à cette disposition un autre avantage économique, c'est que la condensation initiale, au lieu de se produire pendant l'introduction au détriment de la vapeur admise, est retardée jusqu'au moment du transvasement, et qu'elle est alors comparable à ^e condensation anticipée.

Les efforts de Watt se sont ensuite portés sur les procédés à employer pour transforpier le mouvement alternatif en mouvement de rotation ; l'emploi de la manivelle lui était interdit par les brevets antérieurs de Stewart, Washborough^ Pickardy Steed; parmi les systèmes imaginés pour remplacer cet organe si simple, le seul qui ait été appliqué est celui des roues planétaires, et la première machine employée à la filature du coton a été montée à Manchester en 1782; les machines étaient toujours à simple effet, et pour régulariser le mouvement de rotation, un fort contre-poids était appliqué au balancier.

Une nouvelle patente, datant de 1782, est relative à la machine à double ^ffet, qui rend désormais le contre-poids inutile, et diminue Tencombreinent. En même temps que le moteur à vapeur était employé pour actionner les usines, se posait la question de régularisation ; Watt avait, dans ce but, adopté le régulateur à boules agissant sur une valve dès l'année 1781. La machine à double effet rendait nécessaire une liaison rigide entre le piston et le balancier, c'est à cette occasion que fut réalisé le mécanisme encore classique connu sous le nom de parallélogramme de Watt.

La spécification de 1782 indique aussi l'emploi de la détente, elle est accompagnée d'une figure sur laquelle se trouve représentée par une hyperbole équilatère la loi d'expansion de la vapeur ; cette épure ne diffère pas de celles que Ton trace encore aujourd'hui dans le même but. La variation de l'effort moteur pendant la course préoccupait Watt, qui imagina plusieurs dispositifs destinés à commander une résistance constante; l'un d'eux consistait en un changement automatique des bras de levier du balancier (7® fascicule n^ 75) ; le grand inventeur finit par s'en rapporter bientôt à l'inertie du volant ou des masses qui en tiennent lieu pour obtenir cet effet de régularisation.

1. La barre d'alésage employée dans nos ateliers n'a été imaginée qu'en 1799 par Murdoch.

On peut encore signaler, parmi les inventions de Watt se rattachant à la machine à vapeur: une machine rotative plus pratique que celle qu'il avait d'abord imaginée, le compteur de tours automatique, l'indicateur (1814) que perfectionna plus tard Mac-Naught par ^application d'un tambour portant le papier, le principe de la détente successive dans deux cylindres, breveté aussi en faveur de Homblower en 1781, et repris en 1804 par Woolf; la locomotive routière, imaginée en 1784, avait été devancée en France par le fardier à vapeur de Cugnot (1769).

L'organe de distribution des machines de Watt était la soupape simple, non équilibrée, mise en mouvement par une poutrelle de distribution attaquée par le balancier ; la soupape à double siège, dont Tusage s'est continué, est due à Homblower. I^e tiroir à coquille à été imaginé par Murray en 1799 ; Watt et Boulton ont appliqué plus tard à leurs machines à rotation le tiroir creux ou tiroir en D de Murdoch, manœuvré par un excentrique dépendant de l'arbre.