INVENTION DES MACHINES A VAPEUR

haudière ; on en voit encore une autre G au haut du cylindre I. ^ous avons déjà vu une soupape de ce genre dans la presse hydrau-

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Fig. 483.

lique (§ 371 ) ; mais ce n'est qu'une imitation de la soupape de sûreté des chaudières à vapeur, qui était employée depuis longtemps, lorsque la première presse hydraulique a été construite.

Papin ne s'est pas contenté d'ajouter un piston flottant à la machine de Savery : il a voulu que sa machine, au lieu de servir uniquement à élever de l'eau , pût devenir un moteur capable de faire mouvoir tels mécanismes qu'on voudrait. Pour cela il faisait déboucher son tuyau d'ascension , en Q, dans une caisse R , fermée de toutes parts , excepté en W, où se trouvait une ouverture permettant au liquide de s'écouler pour tomber sur une roue hydraulique ; l'eau sortait ddT la caisse R avec une vitesse qui était beaucoup augmentée par la compression de l'air situé au-dessus d'elle, et faisait ainsi tourner la roue , en agissant à la fois par sa vitesse et par son poids.

Savery avait annoncé sa machine comme pouvant servir à l'épuisement des eaux des mines ; mais elle ne pouvait pas élever ce> eaux à une hauteur un peu grande, sans qu'il en résultât des inconvénients de plus d'un genre, par suite de la forte tension que devait prendre la vapeur. Les fuites de la vapeur à travers les joints delà machine, et les explosions des chaudières, étaient difficiles à éviter à cette époque. Aussi cette machine fut-elle peu employée. D'ailleurs la modification que Papin proposa d'y apporter ne fut pas adoptée.

§ 417. Le première machine à vapeur qui ait rendu de véritable; services à l'industrie , est celle de Newcomen , qui est habitueli^ ment désignée sous le nom de machine atmosphérique. Cette ma-

Fig. 484.

chine date de 1 705. Elle n'esta proprement parlfer que la réalisai! >:. de l'idée émise par Papin en 1 690 ( § 41 5 ).

La fig. 484 fait connaître la disposition de cette machine qui j

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'lé employée à l'épuisement des eaux des mines, et qui l'est mémo •ncore dans certaines localités. Une chaudière A est destinée à la >roduction de la vapeur; elle a la forme d'un hémisphère terminé nférieurement par un fond plat, et est munie d'une soupape de iûreté. La vapeur formée dans la chaudière peut se rendre dans le cylindre B par un tuyau qui les réunit. Un robinet, dont la têlo 5St formée d'une espèce de roue a , est adapté à ce tuyau , et permet i' établir et d'intercepter alternativement la communication de la chaudière avec le cylindre. Le piston C , mobile dans le cylindre B, ist attaché par une chaîne à l'une des extrémités d'un balancier D, ^ui peut tourner autour de son milieu. L'autre extrémité de ce balancier supporte, au moyen d'une chaîne, un& longue tige E, qui descend dans un puits de mine , et qui est destinée à y faire mouvoir des pompes : c'est la maîtresse tige dont nous avons parlé à r occasion des pompes de mines {§ 361 ).

Lorsque le robinet a est ouvert , la vapeur presse le piston G de bas en haut , et fait équilibre à la pression atmosphérique qui s'exerce sur sa face supérieure ; la tige E peut alors descendre , en vertu de son poids et du poids additionnel F , en faisant remonter le piston G jusqu'au haut du cylindre B. Si l'on vient alors à fermer le robinet a , et à déterminer par un moyen quelconque la condensation de la vapeur contenue en B, la pression atmosphérique, qui agit sur la face supérieure du piston G, n'est plus contre-balancée par la tension de la vapeur; le piston redescend alors, et soulève ainsi la tige E. Gette seconde partie du mouvement du piston G peut donner lieu à la production d'une quantité de travail aussi grande qu'on veut ; il suffit pour cela que la surface de ce piston ait des dimensions convenables.

Pour opérer la condensation de la vapeur dans le cylindre B, on employait d'abord un moyen dont s'était déjà servi Savery, et qui consistait à faire tomber de l'eau froide sur la surface extérieure du cylindre. Mais ce moyen n'agissait que lentement. Un jour on s'aperçut que la condensation se produisait avec une rapidité beaucoup plus grande qu'à l'ordinaire. En cherchant à se rendre compte de ce fait, on reconnut qu'il était dû à la présence do l'eau qu'on mettait sur le piston , pour s'opposer au passage de l'air ou de la vapeur entre son contour et les parois du cylindre. Une partie de cette eau passait par un petit trou dont le piston était accidentellement percé, et tombait par gouttelettes dans l'espace rempli de vapeur ; de là la condensation rapide qu'on observait. On mit à profit ce résultat important, et, à partir de ce moment, on n'opéra plus la condensation qu'au moyen d'une injection d'eau froide faite à lin-

térieur de la capacité contenant la vapeur à condenser. A cet effet, un tuyau e , amenant l'eau froide d*un réservoir G , déboucbe au fond du cylindre. Un robinet muni d'une roue a' est adapté à ce tuyau, et permet de produire et d'interrompre à volonté Tinjeclion d'eau froide. Une chaîne sans fin embrasse les deux roues a, a! y et fait qu'elles ne peuvent pas tourner Tune sans l'autre. Une manivelle b, liée à la roue a\ permet de faire tourner ces deux roues eo même temps. Dans la position actuelle, le robinet a est fermé, le robinet a' est ouvert, et l'eau froide du réservoir G peut se rendre dans le cylindre B, pour y produire la condensation de la vapeur. Lorsque le piston C est arrivé au bas de sa course, il suffit de faire tourner la manivelle b en l'abaissant , pour fermer le robinet a! et ouvrir le robinet a. Alors le piston C remonte ; on ramène la manivelle dans sa première position , le piston C redescend, et ainsi de suite. Une ouverture pratiquée au bas du cylindre B communique avec un tuyau d destiné à évacuer l'eau qui s'accuAule constamment au fond du cylindre ; de temps en temps on fait sortir cette eau , en ouvrant un robinet adapté au tuyau d.

§ 44 8. Dans la machine atmosphérique, la vapeur n*a pas d'autre objet que de faire équilibre à la pression atmosphérique ; aussi sa tension ne doit-elle pas dépasser une atmosphère. Mais en employant la vapeur de cette manière, il faut absolument opérer sa condensation , ce qui exige qu'on ait à sa disposition une assez grande quantité d'eau. Si , au lieu de cela , on fait agir la vapeur sur un piston , en lui donnant une force élastique supérieure à celle de lair atmosphérique, on pourra obtenir un effet analogue à celui que fournit la condensation , c'est-à-dire diminuer la tension de la vapeur, en la faisant communiquer librement avec l'atmosphère. Tel est le principe des machines dites à haute pression, sans condensation.

Papin est le premier qui ait construit une machine de ce genre. Leupold, qui l'a fait connaître en 4724, en a décrit une du même genre qui est représentée ici, /îc/. 485. Une chaudière A , destinée à la production de la vapeur , est surmontée de deux cylindres R, S. avec lesquels elle communique alternativement. Un robinet B, placé sur le passage de la vapeur, permet de la conduire, tantôt dans le cylindre R , tantôt dans le cylindre S ; ce robinet fait en même temps communiquer avec l'atmosphère, par le conduit M , celui des deux cylindres qui ne reçoit pas de vapeur de la chaudière. Dans la position qu'indique la figure, la vapeur de la chaudière va en R , et celle qui était en S a pu s'échapper dans l'atmosphère; en faisant tourner le robinet B d'un angle droit , on fera passer la vapeur de la chaudière en S , et celle qui s'est rendue en R pourra se répandre

ans l'atmosphère. Les pistons C, D, sont reliés par les tiges E , F, deux balanciers G, H ; ces balanciers sont articulés d'une autre art aux tiges K, L , de deux pompes foulantes 0 , P, qui puisent

Fig. 485.

l'eau dans un réservoir N, etl'élèvent par un tuyau Q jusque dans un second réservoir T. Chacun des pistons C, D, est poussé du bas au haut du cylindre qui le contient , lorsqu'il est soumis à l'action de la vapeur de la chaudière ; et en même temps il abaisse le piston delà pompe correspondante, en foulant de l'eau dans le tuyau Q. Lorsque ensuite la vapeur qui est au-dessous de ce piston peut s'échapper par l'ouverture M , il est également pressé sur ses deux faces, et redescend en vertu de son poids, qui l'emporte sur les résistances à vaincre.

§ 44 9. Machine à irapear de Watt h simple effet. — Ce que nous avons dit dans les paragraphes précédents peut donner une idée de la marche prpgressive qu'a suivie l'emploi de la vapeur

comme force motrice jusqu'en 1 769. Jusque-là la machine à vapeur n'était pour ainsi dire que dans Tenfance; mais à cette époque Watt entra dans la carrière, et porta rapidement ce genre de machines à un haut degré de perfection. Entre ses mains, la machine à vapeur, qui n'avait encore été employée qu'à l'élévation de Teao, devint un moteur universel , capable de remplacer les moteurs animés, dans toutes les circonstances où Ton a besoin de développer de la force pour effectuer du travail. Nous aurons occasion de signaler les inventions les plus importantes de ce célèbre mécanicien , en même temps que nous donnerons la description des machines a simple et à double effet, telles qu'il les a disposées.

La machine à vapeur de Watt à simple effet a été conslruilr pour remplacer la machine atmosphérique de Newcomea (§417;. Elle se compose principalement, comme la machine atmosphérique, d'un cylindre dans lequel un piston se meut alternativement de bas en haut et de haut en bas. La tige de ce piston est également reliée à l'une des extrémités d'un balancier, qui communique son mouvement de va-et-vient à une tige de pompe attachée à l'autre extrémité. Dans la machine de Watt, comme dans celle de Newcomen, le piston doit monter dans le cylindre par la seule action du poids de la tige de pompe, action qui lui est transmise par l'inU^rmédiaire du balancier; et le mouvement descendant de ce piston doit être produit par la différence des pressions qu'il éprouve sur sa face supérieure et sur sa face inférieure. Mais, légalité de pression sur les deux faces du piston, pendant son mouvement ascendant, et la différence de pression sur ces deux faces, pendant son mouvement descendant, ne sont pas obtenues de la même manière dans les deux machines.

Le piston A , de la machine de Watt, fig, 486, se meut dans un cylindre BB qui est fermé à ses deux extrémités. Deux ouvertures C, D, existent au haut et au bas de ce cylindre, et le font communiquer avec un large tuyau latéral EF, qui contient trois soupapes G, H , K. La vapeur qui se forme dans la chaudière est amenée par un tuyau qui aboutit en E , au-dessus de la soupape G. Après avoir produit son effet dans le cylindre, ainsi que nous allons lexpliquer. cette vapeur traverse la soupape K , et se rend , par la partie F du tuyau latéral, dans une capacité spéciale nommée le condetiseur. Un jet d'eau froide , qui tombe sous forme de pluie dans celte capacité, au moment où la vapeur y arrive , lui fait perdre pour ainsi dire instantanément sa force élastique.

Pour produire le mouvement du piston A dans le cylindre BB, il suffit d'ouvrir et de fermer alternativement les trois soupapes

G, H , K, à des moments convenables. Les soupapes G et K étant ouvertes, et la soupape H fermée, la vapeur qui vient de la chaudière se rend librement dans le haut du cylindre, par l'ouverture C , et peut ainsi exercer sa pression sur la face supérieure du piston À ; en même temps la vapeur, qui s'était précédemment introduite sous ce piston, se trouve en communication directe avec le condenseur, par la soupape K , et par suite elle ne doit avoir qu'une très faible tension (§ 4^^). Le piston doit donc descendre, si toutefois la différence des pressions exercées sur ses deux faces est capable de vaincre les résistances qui lui sont appliquées. Au moment où le piston A arrive au bas du cylindre, on ferme les soupapes G, K, et l'on ouvre la soupape H : alors le haut et le bas du cylindre communiquent l'un avec l'autre; tandis que leur communication est interceptée, soit avec la chaudière, soit avec le condenseur. Le piston se trouve donc, également pressé sur ses deux faces, et il remonte sans difficulté , sous l'action de la tige de pompe qui est suspendue à l'autre extrémité du balancier. Le piston A étant arrivé au haut de sa course, il suffit de fermer la soupape H , et d'oùvrirHes deux autres, pour que le mouvement descendant du piston recommence. Les trois soupapes G, H , K , sont habituellement désignées sous des noms spéciaux , qui rappellent l'objet de chacune d'elles, et qu'il est bon de connaître : G est la soupape d* admission ; H est la soupape d'équilibre ; K est la soupape d'exhaustion. Une quatrième soupape, qui laisse pénétrer un jet d'eau froide dans le condenseur, s'ouvre et se ferme en même temps que la soupape d'exhauslion.

§ 420. L'emploi d'un condenseur, c'est-à-dire d'une capacité séparée dans laquelle doit s'opérer la condensation de la vapeur par une injection d'eau froide, constitue la plus importante des inventions de Walt. Pour se convaincre de son importance, il suffit d'examiner ce qui se passe dans la machine de Newcomen. Au moment où le piston est arrivé en haut de sa course, on détermine une injection d eau froide dans le cylindre , pour y condenser la vapeur, et faire redescendre le piston. Mais cette eau froide abaisse en même temps la température des parois du cylindre, et elle l'abaisse d'une quantité considérable. Lorsque ensuite on veut faire remonter le piston , on fait arriver de nouvelle vapeur de la chaudière dans le cylindre. Cette vapeur, se trouvant en contact avec des parois refroidies, se condense aussitôt ; et ce n'est que lorsque la température de ces parois s'est suffisamment élevée par celte condensation , que la vapeur conserve dans le cylindre une force élastique assez grande pour faire équilibre à la pression atmosphérique, et pour permettre au piston de remonter. On voit par là que le réchauflbment des parois du cylindre, à chaque coup de piston , dépense en pure perte une grande quantité de vapeur ; et l'on comprend toute l'importance qu'if y avait, sous le rapport de l'économie du combustible consommé, à faire disparaître ce grave défaut de la machine de Newcomen. Watt y est parvenu de la manière la plus heureuse, par l'emploi d'un condenseur séparé.

L'emploi de la vapeur, pour presser la face supérieure du piston, au lieu de l'air atmosphérique , permet d'exercer une plus forte pression sur un même piston. Il suffît pour cela de faire en sorte que la vapeur formée dans la chaudière prenne une force élastique supérieure à celle de l'air atmosphérique. Il en résulte que, pour construire une machine d'une puissance déterminée, il n'est pas nécessaire de donner au cylindre des dimensions aussi grandes que celles qu'on devrait lui donner , si l'on adoptait la disposition des machines de Newcomen.

Les machines de Watt à simple effet sont encore employées dans quelques localités. On en voit à Paris, dans les établissements publics connus sous les noms de pompe à feu du Gros-Caillou, et pothpe à feu de Chaillot; elles servent à élever les eaux de la Seine pour le service de la ville. Cependant nous nous contenterons d'en avoir indiqué le principe, sans entrer dans le détail de leur disposition. Nous décrirons de préférence une des machines à simple effet qne l'on construit maintenant, surtout dans le comté de Cornouailles (Angleterre), pour l'épuisement des eaux des mines, et qui ne sont autre chose que des machines à simple effet de Watt, auxquelles on