PRELIMINAIRES
1. — Les machines à vapeur sont les moteurs thermiques dans lesquels une vapeur, généralement la vapeur d'eau, est le fluide qui subit les transformations du cycle; l'étude calorifique de ces machines est faite dans le 3^ 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, Ténergie 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, l'énergie se dépense sur le fluide lui-même, auquel elle s'incorpore sous forme de force vive sensible ; celle-ci est utilisée par réaction.
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),
(1) Pour l'histoire de la machine à vapeur, consulter: la notice d'Arago (1829), l'ouvrage de Farey (A Treatise on the Steam Engine, 1S21) et celui do Trkdgold [The Steam Engine, 1838). Parmi les ouvrages modernes, nous signalerons 17/ /s/o/ré' de la Machine à vapeur, par R.-H. Thurston, traduction de J, Hirsch ; Tintroduction historique de Ruehlmann (AUgemeine Maschinenlehrr, t. 1^', p. ''iSS à 531) ; l'jiUM'a^e de F. Reuleaux, intitulé: Kurzgefasste Geschichte der Dampftnaschine (Brunswick^ Vieweg), qui s'étend jusqu'à nos jours, et celui de Matschoss (Geffckickte der Dampfmaschine, 1901).
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A'eîr-^vmr-''.. — Tr.'-TLXs 5r'»'!««!i:e''i rM-isa «^^n ITùô. «i-r c»^n«rert ave** f'ajrlr: ,^ 1.1 preoi '^xk m:i *'MQr î:i i'i5tri-y-e J piSt.vi, ij ;i tut im:nê»iiatement eni;^»'.«'»;«îe f«»ur l »^p'i -^.-rc-al lî-^ ni.r.e>. Le< di>r«>5Ui*»n> en sont lrt»p «>»nniies p^mr «juii 5*^il uii!e «le î-=^< ri/'p*rl-^r !*'t . :iu dtbaLlerylîn- «Ire était refniiiî par une aspersioa J'e^a eiloneure, le piston était r»:fn iu aussi étanone qie possible p.ir ua** j-irîiitjre de chm^re ou de cuir sur laqueli-:: on miioteniit ur,e lr^->r>r co'j«'he d eau pour préserrer le joint.
On prétend qu'une fuite ao-ù î-^ntelle de cette çarniture, en dètenuini:it d'une manière inatteT.dae une injei:t:»»n dVj?i froide dans le cvlindre. i>:casîonna la dr:»*«'»u\erte de la c«»ri îensari »:î p-ar ni-rlaiig^e. D»»ux ffiririœu^rrfS étaient nécess^iires, celie du n'ItiM-t d*a î:i::ssion de la vap«^nr, au CMriirfier*i2*rm'^nt de la course asoea iante du plst«>n, et celle du robinet d in^'otion, au C'^mmenoeuient de la «N:»urse •îescendanle. (les rn'>UTern-nts, pruliits dabor! à la nidîn, turent renias automatiques, en 17r*, par un jeuî.e marh.niste nomme //rt-^r •*' % l^yy- : B-i :hion imai^nna peu de temps après le premiery-':i ••'-• * '•< ru î^mentaire d'où tst sortie la distribution C"rn;'liqaée d^^s ma» !» -.ts dVxhaure, telles qu'-iriles ont été t'Uipluvé^-s paradant plus d^m si-' oie. Le dispositif de Beijhton a donné aux ma:hin**s de >'e\^co:r.en b:ars caractères dèfin:ti*'>: les machines de ce système, que construisit pUis tard S'neaion^ a^au.-nt ju-|'i à 6 pi s de diamctre, et 9 i à pKds de course.
On doit à Smeaton les premiers ('aïeuls 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, môme 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 Tesprit des mécaniciens du temps, que Smeaton, pour obtenir le mouvement de rotation nécessaire aux moulins, proposait d'employer l'eau élevée par
une machine de Newcomen à actionner une roue hydraulique à augets ; les premières machines de rotation ne datent que du temps de Watt.
Aï'l -
Fip. 1.
(1) Une machine de Newcomen existe encore à Ashton-under-Lyne, non loin de Oldham, à l'état de ruine; eUeaété arrêtée depuis environ 70 ans; une photographie en a été reproduite par Engineering (1894, 2^ sem., p. 448).
La première machine importée en France est sans doute celle de Fresne, près do Condé^ soigneusement décrite par Bélidor (Architecture hydraulique, 1782) ; d'après Perronet, une machine à feu fut établie à Saint-Ghislain (Hainaut) avant 1785. Dos machines de Newcomen, avec leur jeu de fers primitif et l'injection dans le cylindre, ont été établies en Belgique vers 1820; l'une d'elles, démontée aujourd'hui, fonctionnait encore à Chapelle-lez-Herlaimont, sur un puits de la Société de Mariemont et Bascoup, il y a environ vingt ans.
Les premières machines importées d'Angleterre en Amériaue pour l'épuisement des nunes 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 (Engineerings 1895, -2® sem., 505. Notes on an Old Neçpcomen Engine near Bristol) ; le cylindre a 5 1/2 pieds de diamètre et 6 pieds de course, il est alimenté par de la vapeur à 2 1/2 Rvres ; la garniture de pbton est en vieilles cordes. Cette machine a été établie en 1750, on trouvera quelques détails sur son fonctionnement dans le même recueil (1898-2-353).
Une étude complète de la machine de Newcomen due à Henry Davey a été publiée en 1903 ( Proceedings of M, E,), et a été reproduite dans Engineering» même année, 2fi sem.
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 môme et la lenteur de marche (8 à 10 coups par minute) contribuent à augmenter. Dans la figure 1 se trouve représenté en a 6 c rf le diagramme thermique probable d'une machine établie par Smeaton, consommant 1136 livres de charbon à l'heure pour une puissance de 108 chevaux. Le cheval de Smeaton n'était que de 22680 livrespieds par minute, le cheval actuel ou de Watt correspond à 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'b'c'cd le diagramme thermique d'une machine monocylindrique moderne.
Watt (1769). — A partir de 1709 jusqu'en 1815, l'histoire 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 surface, auquel Cartœriglil revint quelques années plus tard ; les machines de Watt se montrent cependant pourvues du condenseur à injection. La même spécification indique aussi
(1) Voir, outre les ouvrages déjà cités: Engineering, 1879, l^r sem., p. 101. The Heslnp Engine, a Chapter in the History of tfw Stcani Engine, 1883, 2' sern.,p, 495. The Inventions of Watt and his Models préservée ai Ilandsworth and South Kensington ; 1881, 2** soin., p. 476, ancienne machine (ie Trevithick datant de 1804, conservée à Crewe, par M. Webb ; 1887, 1" sem., p. 205, vieilles pompes à la houillère Denby, près de Derby.
remploi possible de la vapeur à haute pression sans condensation, et décrit une machine rotative qui n'a jamais été réalisée.
Les machines construites diaprés cette première patente étaient à cylindre ouvert, comme celle de îïewcomen; 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).
Le grand avantage de cette disposition était d'empêcher les rentrées d'air autour du piston, un bourrage étant beaucoup plus facile à maintenir étancheque les garnitures en chanvre se mouvant dans un cylindre non alésé (*). 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 une condensation anticipée.
Les efforts de Watt se sont ensuite portés sur les procédés à employer pour transformer le mouvement alternatif en mouvement de rotation ; l'emploi de la manivelle lui était interdit par les brevets antériours de Siewart^ Washboroagh, Pickard^ Sieed; 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 lilatnre 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 contrepoids était appliqué au balancier.
Une nouvelle patente, datant de 1782, est relative à la machine à double effet, qui rend désormais le contrepoids inutile, et diminue l'encombrement. En même temps que le moteur à vapeur était em|doyé pour actionner les usines, se posait la question de régularisation ; Watt avait, dans ce but, adopté le régulateur à boules agissant sur une valve
11) La barre d'alésage employée dans nos ateliers n'a été imaginée qu'en 17'jy, par Mur dock .
dès l'année 1781. La machine à double elVet 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 hyborbole 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.
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 l'application d'un tambour portant le papier, le principe de la détente successive dans deux cylindres, breveté aussi en faveur de Hornblower 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 Cagnot (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 l'usage s'est continué, est due à Hornblower. Le tiroir à coquille a 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.
A partir de ce moment, la machine à vapeur fixe se transforme par de nombreux perfectionnements de détail, parmi lesquels les faits les plus saillants sont : l'augmentation graduelle de la pression d'admission et de la vitesse, la détente variable automatiquement par le régulateur, les distributions à déclenchement, la détente dans deux ou plu-
sieurs cylindres successifs, l'emploi de la vapeur surchauffée, les moteurs spéciaux à très grande vitesse.
En même temps, les applications se multiplient, les machines marines et les locomotives constituent des types qui se développent parallèlement au moteur d'usine (6*^ fascicule), et réagissent parfois sur lui.
Bniin, la dernière période est marquée par Tinvention et les progrès rapides de la machine à vapeur à réaction, ou turbine (3* fascicule), qui a bénéficié de l'ensemble des connaissances théoriques acquises par l'étude du moteur à piston et qui lui a emprunté, en les modifiant, certains de ses organes, tels que le régulateur et le condenseur.
PREMIÈRE PAUTIË
