V IV

On en tire 6 = -^ , / = -j.^- •

Si, par exemple, le train est un expresse lancé à 60 kilomètres à

l'heure, ou de ,^^^ = lô"? par seconde, la quantité ôp est égale

à un peu plus de 14 mètres, et la quantité - égale à 1",7. Ce se-

raient l'espace parcouru et la durée correspondante, si Tarrêt avait lieu BOUB V action de la gravité; mais ces quantités doivent être res-

pectivement multipliées par le facteur ^ qui est d'autant plus grand

que f est plus petit, ou que l'état actuel des rails rend le patinage

plus facile. Si l'on suppose pour f la valeur moyenne jj^ , on en

conclura 0 = 17* et / = 140" pour le temps et l'espace nécessaires à l'arrêt d'un train lancé sur une voie de niveau dans les conditions de vitesse ci-dessus, à partir du moment où tous les freins sont serrés à fond, et en supposant qu'il y en ait un à toutes les paires de roues.

(685) Il y a lieu d'indiquer ici un frein spécial particulièrement appliqué aux locomotives, soit pour le service d'arrêt dans les gares, soit surtout pour descendre les longues pentes sur lesquelles l'action de la gravité est prépondérante. Ce frein consiste dans l'emploi de la marche à contre-vapeur, présentée par M. Lechatelier, et devenue aujourd'hui d'un emploi à peu près général, sur les chemins de fer à profil accidenté.

On se rend facilement compte que si la distribution d'une ma-

GÉIIÈRALITÉS SUR LBS APPAREILS RÉCEPTEURS. 171

chine est actuellement réglée pour marcher dans un certain sens, et que la machine cependant marche en sens contraire, les circoa-* stances de la distribution sont complètement modifiées.

En supposant, dans un simple aperçu^ la distribution réglée de manière que Téchappement ait lieu d'un côté, et l'admission, puis la détente de l'autre, pendant la course entière du piston (nous verrons pourquoi on s'écarte un peu de ces conditions normales dans les locomotives comme dans toutes les machines à grande vitesse), on voit que la face du piston, qui devrait recevoir l'action de la vapeur motrice, sera en communication avec l'atmosphère et aspirera de Fair, tandis que l'autre face, au lieu d'être en communication avec l'atmosphère, comprimera, pendant ce qui eût été la période de détente, l'air aspiré dans l'excursion précédente; puis, pendant ce qui eût été la période d'admission à pleine pression, cet air com« primé prendra la pression de la chaudière et y sera refoulé.

Ainsi, dans cette marche, le piston, au lieu de recevoir du travail moteur de la vapeur, doit surmonter un travail résistant qui correspond d'abord à la compression de l'air aspiré, puis à son refoulement dans la chaudière sous une pression égale à celle qui y règne. Ce travail résistant est tout à fait comparable au travail moteur de la marche ordinaire; en eflet, celui de la compression n'est guère moindre que celui de la détente (bien que la pression initiale dans le cas de la compression de l'air soit moindre que la pression finale dans le cas de la détente de la vapeur), et celui du refoulement est au moins égal à celui de l'admission à pleine pression.

Le travail résistant ainsi produit sur la machine vient en déduction du travail produit par la gravité, ou atténue la force vive acquise par le train. La machine, au lieu d'être motrice, agit dans le même sens que les freins ordinaires, dont elle complète ou remplace même entièrement l'action.

Telles sont les circonstances qui se produiraient, si Ton se bornait simplement, comme on vient de le dire, à renverser la distribution et à aspirer l'air par les tuyaux d'échappement qui vont, comme l'on sait, déboucher dans la cheminée pour activer le tirage.

n est facile de comprendre que cette marche aurait de grands inconvénients, qui ne tarderaient pas à se manifester, si l'on y avait

in COURS DE MACHINES.

souvent recours, et surtout si l'on voulait la soutenir pendant un certain temps.

L'air aspiré, pris dans la cbeminée, amènerait avec lui les fumées et les escarbilles légères qu'entraîne le courant d'air alimentant le foyer, et les pièces du mécanisme de distribution se trouve* raient ainsi exposées à des frottements anormaux et à une usure rapide.

Cet air serait pris déjà à une température élevée ; cette température s'accroîtrait beaucoup par la compression première qu'il recevrait, et surtout par le complément considérable que subirait cette compression au moment du refoulement dans la chaudière (voir n^ 878). On atteindrait ainsi une température suffisante pour détruire toutes les matières lubréfiantes et toutes les garnitures, et produire bientôt le grippement des surfaces frottantes.

Enfin ces gaz comprimés introduits dans la chaudière augmenteraient rapidement la pression, qui cesserait d'être en rapport avec la température de l'eau, ainsi qu'elle l'est lorsque le réservoir de va< peur ne contient pas de gaz permanent.

On aurait donc, au bout d'un temps assez court, des traces d'échauffement dans les cylindres, les huiles volatilisées, les garnitures des boites à étoupes brûlées et carbonisées, les surfaces frottantes rapidement altérées, une augmentation de pression dans la chaudière accusée par le soufflement anormal des soupapes de sûreté ; enfin (chose secondaire^ si l'on veut, au premier moment, mais qui devient capiYo/^ lorsque l'état se prolonge) le jeu des injecteurs Giffard paralysé, par la raison que nous indiquerons en parlant de cet appareil, et par conséquent l'alimentation compromise, si ces injecteurs étaient le seul procédé d'alimentation installé sur la machine.

(686) Tous ces inconvénients rendent pratiquement impossible l'emploi quelque peu prolongé de la marche avec la distribution renversée, et avec aspiration d'air dans la cheminée. Ces mêmes inconvénients disparaissent tousj à Taide d*un artifice très-simple qui motive le nom de marche à contre-vapeur donné par H. Lechatelier au procédé modifié.

Cet artifice consiste à envoyer dans le tuyau d'échappement ou

GÉNÈR ALITES SUR LRS APPAREILS RÉCEPTEURS. in

SOUS les tiroirs, à Taide de prises spéciales do^t on règle convenablement les ouvertures, une certaine quantité d'eau liquide et de vapeur prises à la chaudière. On introduit ainsi dans la cheminée une sorte de buée qui bientôt la remplit et s'échappe par la partie supérieure en forme de panache blanchâtre. En renversant alors la distribution, les cylindres reçoivent, non plus les produits gazeux de la production, mais de la vapeur humide, ou sursaturée, à la pression atmosphérique ordinaire, et par conséquent refroidie à 100'', par une évaporation partielle de Teau en excès.

Celte espèce de nuage de vapeur ainsi aspiré tend à rafraîchir Tin* térieur du cylindre ; Teau en excès agit en outre pour lubréfier les surfaces, et réchauffement résultant de la compression finale ne peut, en l'absence de gaz permanents et avec la présence de Teau en excès, amener une température supérieure à celle de la chaudière. Ainsi, loin que la prolongation de la marche échauffe les cylindres, elle tend à en réduire plutôt la température. La pression de U chaudière ne s'élève pas, et Tabsence de gaz permanent permet au jet de vapeur agissant sur le Giffard de fonctionner comme à l'ordinaire.

Dans ces conditions, rien ne s'oppose à ce que la marche à contrevapeur se continue indéfiniment, et se répète aussi souvent qu'on le voudra. La machine devient, entre les mains du mécanicien, un frein puissant, toujours prêt, avec lequel on ne risque pas, comme avec les freins ordinaires qu'on vient à serrer avec excès, de détériorer le matériel roulant.

Tel est le système très-simple, et en mémo temps très-efiicace, appliqué depuis quelques années. On peut Iç regarder comme ayant amélioré, dans une mesure irès-œnsidérabley l'exploitation des chemins de fer à profil accidenté, dont on a été obligé d'aborder la construction dans ces derniers temps.

Jusqu'ici on n'emploie guère la contre-vapeur que sur les locomotives. On conçoit qu'elle pût l'être dans d'autres circonstances, par exemple sur les appareils d'extraction, soit pour abréger la période du ralentissement u la fin de la course et accélérer ainsi les manœuvres de réception des cages, soit pendant les périodes, s'il s'en présentait, où le moment de la tension du câble qui descend la

cage vide serait notablement prépondérant sur celui du cflble qui monte la cage pleine.

Mais la contre-vapeur ne dispenserait pas de l'emploi du frein ordinaire, qui devrait toujours être seiTé à fond pendant les temps d'arrêt de la machine, et desserré seulement par le mécanicien luimême au commencement de chaque manœuvre d'extraction.

(689) Quant aux appareils à l'aide desquels les changements de marche s'effectuent, il faut, pour en comprendre le principe général, se représenter que, dans une distribution par tiroirs, qui est le mode de distribution le plus ordinaire, l'excentrique qui mène le tiroir est calé de manière* à le placer à peu près au milieu de sa course dans un sens quand le piston est à son point mort et va commencer la sienne dans le même sensj ou plus exactement (comme on le verra plus loin) un peu au delà de ce point milieu . Dès lors le rayon d'excentricité, si l'on suppose la bielle d'excentrique attaquant directement la tige du tiroir, et la glace de ce tiroir parallèle à l'axe du cylindre, est en avant du rayon de la manivelle d'une quantité angu* laire un peu supérieure à 90*^, soit d'un angle 90*^ h- a, a étant ce qu'on appelle Vangle d'avance ou Vavance angulaire. Si Ton suppose que le mouvement de rotation doive se produire dans l'autre sens, l'excentrique devrait être en avant du même angle dans cet autre sens. L'excentrique, pour marcher en avant^ ne peut donc être placé comme il doit l'être pour mai*cher en arrière^ et les deux rayons d'excentricité qui correspondent à ces deux positions distinctes sont séparées par un espace angulaire égal à 2 x (90* H- a) = 1 80* H- 2a, ou font entre eux un angle plus petit que 2 droits égal à ISO"" — 2a.

En résumé, il faut s'arranger pour que, suivant que l'on marche en avant ou que Ton bat en arrière^ l'excentrique qui commande le tiroir de la distribution ait ou Vune^ ou Vautre de ces deux positions déterminées.

Le mécanisme de changement de marche est la disposition par laquelle on obtient le résultat ci-dessus* Il faut que la manœuvre en soit simple, facile, bien caractérisée, de manière que, dans les moments urgents, le mécanicien puisse la faire sans hésitation et sans risque d'erreur.

GÉNÉRALITÉS SUR LES APPAREILS RÉCEPTEURS. i75

(688) On peut y parvenir de plusieurs manières, qui ont été successivement employées. Nous mentionnerons d'abord le système de V excentrique à tocs représenté figure 211. C'est un excentrique qui, au lieu d'être calé invariablement sur l'arbre, y est à frottement doux, et porte un toc^ ou arrêt, qui vient butter contre un autre arrêt fixé à l'arbre, lorsque l'on fait tourner l'arbre sans faire tourner l'excentrique. Les deux tocs, celui de l'arbre et celui de l'excentrique, peuvent entrer en prise par Tune ou par l'autre de leurs extrémités, et ils occupent ensemble un espace angulaire égal à ISO*" + 2a. Lorsque l'arbre tourne dans un sens, les deux tocs sont en prise par les faces qui donnent à l'excentrique la position qui lui convient. Si à ce moment on vient à faire tourner l'arbre en sens contraire, en manœuvrant le tiroir à la main, les deux tocs se dégagent, et l'excentrique cesse d'être conduit jusqu à ce que l'arbre, ayant tourné par rapport à lui d'une quantité égale à ISO"" — 2a, les tocs entrent de nouveau en prise par leurs extrémités opposées. Les deux positions de l'excentrique ont donc l'écart angulaire voulu pour que Tun étant bien placé pour la marche en avant, l'autre le soit aussi, par cela même, pour la marche en arrière.

Pour se servir de cet appareil, il faut commencer par ralentir la machine et par déclancher un instant la bielle d'excentrique du bouton qui lui sert à commander le tiroir ; puis, en agissant directement sur le tiroir avec une manette, conduire à la main jusqu'à ce que le sens du mouvement soit renversé ; alors enclancher de nouveau la bielle, dont l'excentrique a pris de lui-même la position convenable, pour continuer ce mouvement, et enfin abandonner la manette.

La figure 212 donne un exemple des dispositions très-variées dans le détail, suivant lesquelles peuvent s'établir ces appareils de déclanchement et ces manettes.

Le système de l'excentrique à tocs n'est guère applicable qu'aux machines à mouvements peu rapides, et ne comporte pas facilement de manœuvres bien précises , comme celles que demandent, par exemple, des machines d'extraction pour la réception des cages qui portent les wagonnets.

B n'emploie qu'un seul excentrique par cylindre, ou deux pour une machine à cylindres conjugués^

(689) Dans les locomotives, la grande vitesse de rotation que doivent prendre les roues motrices rendrait impraticable, à cause des chocs, l'emploi du système des excentriques à tocs. (On a bien d'abord employé un système disposé autrement, mais produisant au fond, le même effet; mais on y a depuis longtemps renoncé).

On établit invariablement aujourd'hui, pour chaque cjlindre de ces machines, non plus un excentrique unique mobile pouvant occuper alternativement deux positions distinctes, mais deux excentriques fixes occupant ces deux positions et commandant altemaii' ventent le tiroir.

Cette alternance est obtenue de plusieurs manières.

On peut d'abord employer ce qu'on appelle des fourches, ou pieds de biche (fig. 21 3), que Ton dispose à l'extrémité de chacune des bielles d'excentriques. En les manœuvrant à la fois à l'aide d'un système articulé mû par une manette à la portée du mécanicien, Tune des fourches abandonne, et ensuite Tautre saisit entre ses branches el ramène à la position voulue un bouton qui commande, directement ou à l'aide d'un système quelconque de leviers, le mouvement de la tige du tiroir.

La figure 213 donne un exemple de ce système qui comporte des combinaisons variées de leviers.

Il doit être entendu que, dans la position où Tune des fourches vient d'abandonner et Tautre n'a pas encore saisi le bouton du tiroir, le tiroir est immobile, la distribution ne se fait pas, et la machine marche par la vitesse acquise.

L'emploi des excentriques et des pieds de biche est compatible avec des mouvements assez rapides de la machine, quoique ces embrayages successifs ne se fassent pas sans quelques à-coups.

Mais elle a un inconvénient, qu'elle partage du reste avec l'cxcen" trique à tocs, c'est de ne comporter que deux positions distinctes, et par suite deux règlements seulement de la distribution, un pour la marche en chaque sens.

(640) Aujourd'hui les excentriques à tocs et les pieds de biche sont à peu près universellement remplacés par le système de la coulisse Stephenson.

Ce système a été étudié par un grand nombre d'ingénieurs, notamment par M. Phillips, un des premiers, et en dernier lieu par M. G. Zeuner de Zurich ; le tracé en a été modifié de plusieurs manières, en vue d'obtenir certains avantages de distribution.

Mais le principe, dont j'ai seulement à m'occuper en ce moment, est resté le même.

La figure 214 donne une idée précise de ce remarquable mécanisme de la coulisse.

La tète de la tige du tiroir, est en relation avec un coulisseau qui peut se mouvoir dans une glissière, ou coulisse^ dont les deux extrémités sont liées chacune à la bielle d'un des deux excentriques. En abaissant ou en élevant la coulisse, on met le coulisseau principalement en relation tantôt avec l'une, tantôt avec l'autre de ces bielles. La bielle ainsi commandée est celle qui conduit alors le tiroir, et l'autre ne fait qu'imprimer à la coulisse, autour du coulisseau, un petit mouvement de balancement qui n'altère pas d'une manière sensible le mouvement longitudinal communiqué au tiroir.

On passe d'une position à l'autre à toute vitesse de la machine, parce qu'il n'y a aucun jeu sensible entre les pièces mises en mouvement parle changement de marche, et par conséquent il ne se produit que des glissements sans chocs.

On doit concevoir que la coulisse dans sa position moyenne, ou à son point mort^ laisse le tiroir à peu près immobile^ parce que les deux tiroirs tendent à lui imprimer des mouvements en sens contraire ; de sorte que l'on a pour le levier de changement de marche qui manœuvre la coulisse, deux positions extrêmes et une position intermédiaire ; les deux premières correspondent, l'une à ia marche en avant et l'aulre à la marche en arrière, et la dernière à une admission nulle.

Ces trois positions doivent être nettement indiquées, et le mécanisme doit pouvoir rapidement passer de l'un à l'autre et fixer invariablement, pour chacune d'elles, le levier de changement de marche dans la position correspondante.

(641) Mais ce n'est pas lout, et la coulisse de Stephenson a une aulre propriété d'une grande imporlance pratique, que pour le ino* Il il

ment, nous ne faisons qu'indiquer, et qui assure sa supériorité complète sur les systèmes de l'excentrique à tocs ou du pied de biche.

Nous avons dit que la coulisse, placée aux extrémités de sa course, produit l'excursion entière du tiroir par le seul effet de la bielle d'excentrique qui le commande ; et qu'at/ milieu de sa course elle est sensiblement immobile, parce qu'elle est sollicitée en sens contraire, et à peu près également, par les deux bielles de la marche en avant et de la marche en arrière. On comprend que si elle est placée dans une position intermédiaire le tiroir sera commandé /?nncipalement par la bielle la plus rapprochée, mais que son mouvement sera contrarié et l'amplitude de sa course réduite par l'action de l'autre bielle.

On reconnaît qu'on peut ainsi modifier les circonstances de la distribution, et que la coulisse devient non-seulement un appareil de changement de marche^ mais un appareil de détente variable, détente d'autant plus étendue qu on tient le levier de changement de marche plus rapproché de sa position moyenne.

Ce simple levier est donc, non-seulement suffisant pour renverser le mouvement et pour arrêter la machine, mais encore approprié à donner à la machine des vitesses variables.

Le mécanicien a ainsi en sa possession, avec un seul et même levier, mu soit directement à la main, soit par l'intermédiaire d'un mécanisme quelconque, tous les moyens d'action qui lui sont nécessaires, pour toutes les circonstances normales du service.

11 les complète, en cas de besoin, par le serrage des freins dont il donne le signal à son chauffeur ou aux agents du tr;iin, ou par l'emploi de la contre-vapeur que l'ouverture d'un simple robinet met à sa disposition.

n est difficile de comprendre les choses réduites à une plus simple expression.

(6419) Nous avons à ajouter à ce qui précède l'indication de la manière que le mécanicien peut employer pour exécuter les mouvements divers indiqués aux n~ 687 et suivants.

En général, le déplacement d'un tiroir à la main, soit directement comme dans l'excentrique à tocs, soit indirectement, par suite

du mouvement de la coulisse, est une manœuvre qui exige un assez grand effort, croissant avec l'étendue du tiroir et la pression de la vapeur. Cet effort, pour une grande machine, dépasse ordinairement celui qu'un homme peut exercer directement à Faide d'un levier unique, et si Ton cherche à multiplier ce dernier effort à Taide d'une combinaison de leviers, la manette doit recevoir une excursion trop grande, et le mouvement du tiroir est trop lent.

On peut alors recourir à trois moyens différents :

1* Faire précéder la manœuvre du levier par la fermeture du ré* gulateur, afin de faire disparaître momentanément la pression sur le dos du tiroir, fixer le levier dans la position voulue au moyen du verrou et des crans d'arrêt de la figure 214; puis, aussitôt après, rouvrir le régulateur ;

2"* Remplacer la manœuvre à la main par un procédé plus énergique qui dispense delà fermeture préalable du régulateur, et compenser ainsi, plus ou moins complètement, par la suppression de cette fermeture, la durée un peu plus longue de la manœuvre du levier, et, en outre, assurer le mécanicien contre les mouvements brusques que prend quelquefois le levier ordinaire, quand il n'a pas été correctement enclanché. Ce système, dit à vis^ représenté figure 215, satisfait bien aux conditions voulues de puissance, de rapidité et de sécurité ;

S"" Enfin, dans les grands appareils comme ceux des grands bateaux à vapeur, au lieu d opérer directement sur le changement de marche de la machine principale, se servir d'une machine auxiliaire, ou petit cheval, dont le piston peut être déplacé en manœuvrant à la main sa distribution, et agir ainsi par sa tige sur le levier de la grande machine.

(643) Ce dernier système, dont on comprend aisément le principe, demande une disposition spéciale pour être appliqué comme il convient.

Il faut remarquer, en effet, que le piston auxiliaire est abandonné à lui-même pendant sa course et reste indépendant de l'action immédiate du mécanisme, qui ne conduit que le tiroir : d'où il suit que ce piston ne peut être commodément arrêté dans une position

intermédiaire, qu'il est, en quelque sorte, flottant et en équilibre instable, pouvant passer instantanément, sans cause apparente ou pour le moindre déplacement accidentel de son tiroir, d'une extrémité à l'autre de sa course. Pour éviter ces inconvénients, MM. Farcol ont ajouté à remploi de ce piston auxiliaire un dispositif, à l'aide duquel ils parviennent à élre entièrement maîtres de tous ses mouvements, à Tarrôter dans une position quelconque, à le remettre en mouvement dans un sens ou dans l'autre et à régler, par conséquent, à volonté, tous les détails de la distribution de la grande machine.

Ce dispositif est désigné par MM. Farcot sous le nom de servomoteur, voulant exprimer par là qu'il leur sert à asservir, en quelque sorte, le moteur principal, c'est-à-dire à l'obliger de se conformer fidèlement et avec la plus grande précision, à toutes les manœuvres de mouvement direct ou rétrograde, d'arrêt, d'accélération ou de ralentissement que le conducteur de la machine veut exécuter. Ce dispositif, que les auteurs ont varié d'un grand nombre de manières, a été appliqué par eux d'une manière très -satisfaisante au mouvement du gouvernail d'un navire, en y ajoutant l'emploi d'un cylindre hydraulique régulateur et d'une soupape d'équilibre ou de flexion, approprié aux chocs considérables auxquels l'appareil est exposé dans les gros temps (voir la notice sur le servo-moteur ou moteur asservi, etc., par J. Farcot, 1873). Sans entrer ici dans les détails de cette application spéciale (quelque intéressants qu'ils soient), nous indiquerons seulement le principe du servo-moteur.

On doit se représenter que le piston auxiliaire est mû à l'aide d'un tiroir facile à déplacer et de course réduite, et que, dans sa course, il commande directement, ou à l'aide d'un système quelconque de forts leviers, l'appareil de changement de marche de la grande machine.

Quant au changement de marche du piston auxiliaire lui-même, il se fait à la main à l'aide d'une manette qui est liée à ce système do leviers. La liaison est telle, que si cette manette est immobile sur le levier auquel elle est fixée, le tiroir du piston auxiliaire reste sensible-' ment immobile, et qu'il ne se déplace qu'en vertu d'un mouvement relatif donné à cette manette par le mécanicien. Celui-ci la tient dans la main, se bornant à accompagner le mouvement du levier principal sur lequel elle est portée, tant que le levier doit rester im-

mobile, lui imprimant un certain mouvement en avant pour déplacer le tiroir dans un sens déterminé, un mouvement plus petit en arrière pour l'amener au repos dans sa position moyenne, enfin, un mouvement plus étendu pour le ramener en arrière et changer la distribution, etc.

Quant à la manière d'obtenir que le tiroir ne prenne de mouvement sensible qu'en vertu du mouvement relatif de la manette sur le levier principal qui la porte, il suffit de supposer que, dans le système spécial de petits leviers et de petites bielles, qui transmet le mouvement de la manette au tiroir, il y ait un point d'articulation d'une bielle et d'un levier qui soit, dans sa position moyenne, sur le prolongement de Taxe de rotation du levier principal. Ce pointJà est évidemment immobile dans un mouvement de rotation autour de cet axe, et il en est de même de toute la partie de la transmission, qui va de ce point jusqu'au tiroir.

Ce système géométrique comporte, d'ailleurs, de nombreuses variantes, pour lesquelles nous ne pouvons que renvoyer au mémoire précité.

H. Jacquemier, lieutenant de vaisseau, a imaginé, de son côté, un appareil, qu'il désigne sous le nom de conducteur autonome , qui fonctionne sur des principes analogues à ceux du servo-raoteur de H. Farcpt (voir le Portefeuille d'Oppermann, octobre 1874, auquel nous renvoyons également).

(644) Dans les appareils de changements de marche ci-dessus indiqués, nous avons supposé que la distribution se faisait à l'aide de liroirs et d'excentriques. Cette supposition n'est point nécessaire, et il est facile de concevoir que les mêmes changements de marche puissent s'effectuer avec des soupapes.

Ainsi, par exemple, le mécanisme de distribution à détente varial)le à l'aide de manchons à bosses, décrit au n^ 613, actionnant directement, non pas une soupape spéciale de détente, mais les soupapes mêmes d'admission, est un moyen de distribution trèssimple et très-pratique, qui peut très-facilement devenir, en même temps, un appareil de changement de marche.

11 suffit pour cela de prolonger le manchon à bosses, et de le

composer de deux parties, en prolongement l'une de l'autre, disposées, Tune pour la marche en avant, l'autre pour la marche en arrière. Ce système, qui supprime les excentriques et la coulisse de Stephenson et permet de les remplacer par un simple levier à fourchette, déplaçant le manchon dans le sens de son axe, résout de la manière la plus simple ce problème complexe qui consiste à obtenir, à la fois, la détente variable et le changement de marche. Il me semble peut-être préférable aux appareils décrits aux n"^ 439- 441 du cours d*exploitation. Ce système a été appliqué, assez récemment, par M. Kraft à un puits d'extraction du pays de Liège.

(645) Les machines à vapeur, dans lesquelles le récepteur est composé, ainsi qu'on l'a dit au n"" 588, d'un piston mobile dans un cylindre alésé, forment l'immense majorité des appareils employés dans l'industrie. Mais cette combinaison n'a rien de néces'' saire, et en principe toute capacité disposée dans les conditions rappelées au n"* 581 pourra fonctionner comme récepteur.

De nombreuses tentatives ont été faites, notamment pour composer des machines à vapeur rotatives (qu'il ne faut pas confondre avec les machines de rotation ou à volant, dont il a été question précédemment).

La surface du piston animé d'un mouvement rectiligne alternatif est alors remplacée par celle d'un disque relié directement à l'arbre du volant, et participant à son mouvement continu de rotation.

Au point de vue théorique, ce système, quel qu'il soit^ est parfaitement équivalent au système ordinaire du piston, si le mécanisme de la distribution fait fonctionner la vapeur dans les mêmes conditions de pression initiale, de détente et de contre-pression. L'avantage principal qu'on a recherché dans les machines rotatives est la suppression des organes intermédiaires entre l'appareil récepteur et l'arbre du volant, duquel partent les transmissions qui font mouvoir les opérateurs. Cette suppression est complète, et l'ensemble de la machine atteint son maximum de simplicité, lorsque ces opérateurs sont sur l'arbre même du volant. On réduit ainsi la perte de travail due aux frottements, et en outre celle qui, sans être aussi apparente, n'en existe pas moins, par suite des déformations que prennent néces-

sairement les pièces d'une machine à vapeur ordinaire, qui se trouvent soumises alternativement à de grands efforts dans les deux sens (comme les tiges de piston, les balanciers, les bielles, etc.). Ces déformations, pour ne pas être permanentes, et pour se faire tantôt dans un sens, tantôt dans un autre, n'en donnent pas moins lieu à une perte de travail ; le travail moteur dépensé pendant une déformation n'étant pas restitué intégralement pendant le retour à la forme primitive, parce qu'une partie plus ou moins importante, impossible d'ailleurs à calculer, en est dépensée en vibrations, qui se reproduisent à mesure qu'elles se dissipent en se transmettant à l'air ambiant et aux supports de la machine. (Voir n""' 24 et 25.) Celte considération a d'autant plus de valeur que la transmission est plus complexe, et que la machine est composée de pièces qu'il est plus difiicile, à cause de leurs formes ou de leurs dimensions, d'établir dans des conditions rapprochées de celles d'une complète rigidité. Ainsi, sous ce rapport, les machines rotatives ont, en principe^ une certaine supériorité sur les machines ordinaires de rotation, comme parmi ces dernières les machines à connexion directe en auraient peut-être une sur les machines à balancier.

C'est un point de vue que je signale, parce qu'il ne me parait pas être toujours compris, et qu'on va trop loin, lorsque l'on conclut de Véquivalence théorique ci-dessus indiquée, à V inutilité absolue de chercher à résoudre le problème d'une bonne machine à vapeur rotative.

11 est certain que les résultats économiques à attendre ne peuvent être bien importants; mais enfin, pour un certain travail transmis d'une part au piston d'une machine ordinaire, et d'autre part au disque d'une machine rotative placé directement sur l'arbre du volant, il n'est pas absurde de penser qu'avec des dispositions bien étudiées, on puisse arriver à en recueillir un peu plus ^ ou à en perdre un peu moins en route par les frottements ou par des mouvements parasites, dans le second cas que dans le premier.

11 est certain toutefois que jusqu'à présent le problème, bien qu'étudié par des mécaniciens très-intelligents, notamment par M. Pecqueur, n'a pas été résolu de manière à passer un peu largement dans la pratique. 11 n'a même été abordé que pour des appareils de peu d'importance.

184 GOUBS DE MACHINES.

Nous nous bornons, sans revenir sur les essais anciens, qui n ont qu'un intérêt historique, à mentionner, à litre d'exemple, la dernière combinaison qui se soit produite, celle de la machine américaine Behrens, dont la figure 216 représente une coupe perpendiculaire à Taxe.

Celte machine comprend deux arbres parallèles qui se commandent par deux engrenages égaux, et sont munis de cames recevant alternativement sur une de leurs tranches l'action de la vapeur,

La machine rotative dont il s'agit trouve une application spéciale pour faire mouvoir des pompes rotatives, dont l'emploi se répand beaucoup, comme nous l'avons déjà dit, lorsqu'on a à élever de grandes masses d'eau à de faibles hauteurs. (Voirfig. 217.)

Les deux appareils, récepteur et opérateur, peuvent alors être établis en prolongement l'un de l'autre, et présenter le même système cinématique ; car une machine qui fonctionne sous l'action d'un fluide dont elle dépense un certain volume, peut, en général, être récU proque^ c'est-à-dire, en renversant son mouvement, refouler un fluide quelconque en sens contraire.

Les diagrammes fig. 218 A à 218 C montrent les cames dans trois positions successives, qui correspondent à une demi-circonférence décrite par leurs arbres.

On voit, à l'inspection des figures, comment la vapeur a fonctionné en passant de la première position à la troisième. On reproduira les mêmes phases en continuant la rotation dans le même sens, jusqu'à ce qu'on soit revenu à la première position.

(646) Un autre système de machines rotatives consiste à utiliser la vapeur par sa réaction sur une série de canaux lixcs liés à un arbre vertical ou horizontal. C'est, à proprement parler, xme turbine à vapeur. Il doit être entendu qu'au lieu d'employer la vapeur directement par sa pression sur des parois mobiles, on emploie cette pression à lui donner de la vitesse, et l'on utilise la force vive correspondante par sa réaction sur des surfaces mobiles le long desquelles circule la vapeur. Ces machines sont, en quelque sorte, aux machines rotatives décrites ci-dessus ce que sont les turbines aux roues mues par le poids de Teau, et aux machines ordinaires àpis-

ton ce que sont ces mêmes turbines aux machines à colonne d'eau.

Dans cet ordre d'idées, comme une pression de plusieurs atmo* sphères imprime à la vapeur une vitesse qui se compte par plusieurs centaines de mètres, on rencontre immédiatement la difficulté si* gnalée au n"" !895 pour les très-grandes chutes, c'est-à-dire l'obligation de donner aux surfaces mobiles des vitesses excessives, afin de pouvoir utiliser à peu près la force vive de la vapeur; d'où résultent de grands frottements et une vitesse de rotation généralement inacceptable.

Ainsi, sans qu'on puisse dire qu'en principe il y ait un vice radical dans le système des turbines à vapeur, et en remarquant même qu'à la rigueur on peut y appliquer la condensation, en faisant déboucher les canaux mobiles dans un milieu vide d'air et main* tenu à la température ordinaire des condenseurs, on doit regarder ces machines à force vive comme inférieures aux machines à pres^ sion, rinfériorité s'accusanl d'autant plus que la chaudière produit la vapeur à une pression plus élevée. Les seuls usages qui en aient été faits jusqu'ici, à ma connaissance, sont la commande directe de certaines essoreuses et celle des scies circulaires, employées dans les forges pour affranchir les bouts des barres de fer marchand, à leur sortie des laminoirs, lorsqu'elles sont encore rouges.

Ce dernier travail prend peu de force, ou plutôt une force variable à volonlé, en faisant mordre la scie plus ou moins profondément, et il demande qu'on imprime à la scie une très-grande vitesse de rotation. La machine peut être disposée sur l'arbre même de la scie, comme une sorte de tourniquet pneumatique. La vapeur est prise sur les chaudières qui alimentent les grandes machines de la forge. Sa dépense, qui est d'ailleurs essentiellement discontinue, peut être négligée. Il peut même arriver, si les temps d'arrêt sont longs relativement à la durée de chaque opération de la scie, qu'on ne dépense pas plus de vapeur, ou peut-être qu'on en dépense moins, qu'en prenant le mouvement sur les grandes machines à l'aide d'une transmission plus ou moins complexe, qui, jusqu'à la poulie commandant l'arbre de la scie, marcherait continuellement.

Il mé parait que c'est à des cas tout à fait spéciaux, analogues aux

précédents, que doit se borner remploi des machines uliiisant la force vive de la vapeur.

(647) Les machines thermiques ordinaires, alimentées par de la vapeur d'eau produite à l'aide de la combustion de la houille, peuvent encore être modifiées à trois points de vue : on peut ou bien changer le combustible, ou bien remplacer la vapeur d'eau par un autre corps, ou bien enfin faire à la fois les deux modifications.

La première de ces modifications, le remplacement de la houille par un autre combustible est une question essentiellement économique. Il s'agit simplement de savoir quel est le combustible qui, eu égard à son prix de revient et à son pouvoir calorifique, et à toutes les circonstances accessoires de son emploi produit au meilleur marché les calories qui sont utilisées dans la chaudière.

La disposition des foyers devra varier selon le combustible ; mais, en général, on parviendra, par une disposition appropriée, à brûler convenablement même les plus difficiles. C*est ainsi que M. Sainte- Claire Deville est parvenu à brûler parfaitement les divers résidus (huiles lourdes) provenant de la distillation des goudrons et des pétroles. Le principe de ses procédés est d'employer le combustible d'autant plus subdivisé, et dans une enceinte portée à une température d'autant plus élevée qu'il est, par sa nature, plus difficile à enflammer.

Au besoin, on emploierait, pour faciliter la combustion, un courant- d'air forcé, injecté à une haute température.

En fait, dans la plupart des localités industrielles, la houille est de beaucoup le combustible le plus économique. 11 peut en être autrement dans quelques localités spéciales , par exemple au voisinage des tourbières, ou des gisements de pétrole, ou bien, pour quelques industries^ par exemple pour une scierie, où la sciure etlesdéchels sans valeur suffisent, et au delà, pour chauffer les machines qui actionnent les scies. Mais généralement, en Europe, les divers combustibles, même les dérivés du pétrole, malgré leur pouvoir calorifique plus élevé, ne peuvent pas lutter contre la houille.

Il en est de même du gaz d'éclairage qui ne s'est répandu pour le chauffage domestique qu'en raison d'avantages secondaires, pri-

mant, pour certaines consommations, les inconvénienis de son prix de revient élevé ; mais il n'est employé à la production de la force motrice que sur une échelle très-restreinte, et surtout pour des usages discontinus, dans les ateliers où s'exercent un grand nombre de petites industries uibaines n'ayant besoin que de forces restreintes. Il est plus commode et il peut ne pas être plus coûteux, de tourner un robinet et d'allumer un bec de gaz, au moment seulement où Ton va avoir besoin de vapeur, que d'avoir à activer le feu d'un foyer ordinaire constamment allumé, qui prend plus de place, absorbe de la main d'œuvre et a les inconvénients de la poussière et de la fumée.

(648) Quant à la substitution d'un autre corps à la vapeur d'eau , nous avons déjà dit qu'on pourrait concevoir un liquide ayant un ensemble de propriétés de nature à le faire préférer à l'eau ; mais que si l'on peut définir ces propriétés, on ne connaît point encore de liquide qui les réunisse.

A défaut de vapeurs, on peut employer les fluides élastiques, et la théorie générale nous a montré que pour une même température initiale et pour une même chute de chaleur, ils sont simplement équivalents à la vapeur d'eau.

Les raisons d'abondance et de gratuité, ou de prix peu élevé, qui font employer l'eau quand il s'agit de vapeurs, conduisent à employer l'air atmosphérique quand il s'agit de fluides élastiques, et l'on a ainsi les machines à air comme on a les machines à vapeur. Cette idée des machines à air a été depuis longtemps indiquée, notamment par M. l'ingénieur Burdin dès 1835. Plus tard vers 1850, elle a été reprise par Ericsson aux États-Unis, où elle a eu un moment de grand retentissement. M. Franchot, à l'Exposition universelle de 1855, avait présenté une disposition de son invention, qui a été décrite par M. Combes en 1867, dans son Expose des principes de la théoHe mécanique de la chaleur.

Quel que soit le mode de fonctionnement particulier de la machine, que l'on passe de la température supérieure à la température inférieure, et inversement, à l'aide de courbes adiabaliques, ou à l'aide de régénérateurs ; pourvu qu'après une évolution complète,

188 COURS DE HAGUINES.

Tair reprenne son état initial de pression et de température, et que les conditions de réversibilité voulues aient été satisfaites pendant toutes les phases de révolution, on pourra, en premier lieu^ affirmer que les calories enlevées au calorifère ont eu un effet utile théorique marqué par la quantité -* — jt et en second lieu^ connaître le

nombre de ces calories, et par conséquent la quantité de travail effectivement produite, lorsque Ton connaîtra, pour une masse donnée d air, l'état initial et Tétat final de la période de communication de cette masse avec le calorifère.

On peut, comme dans les machines de M. Franchot, utiliser indéfiniment la même masse d'air, emprisonnée dans une enceinte fermée comprenant à la fois le cylindre travaillant et le cylindre alimentaire.

On peut aussi, comme dans la machine Ericsson, emprunter à chaque évolution une nouvelle masse à l'air ambiant, sous la condition théoriquement nécessaire et suffisante que la masse qu'elle remplace s'échappe à la pression, et en même temps à la température ordinaires.

Le rendement théorique de la machine à air pourra être supérieur à celui de la machine à vapeur, s'il est possible d'augmenter la

fraction - — -*' soit en augmentant t^ soit en diminuant t^.

Pour t^ on peut remarquer, comme au n"" 534, que sa limite naturelle est la température moyenne du lieu où la machine fonctionne, soit par exemple ^^ = 10*^ et que cette limite peut être plus facilement atteinte, dans le cas de l'air, parle simple effet de la dilatation, que dans le cas de la vapeur d'eau, dont le refroidissement est contrarié par la chaleur latente que dégage la vapeur à mesure qu'elle se condense.

Quant à la température supérieure ^,, on a vu, au n"^ 33!S, que la condilion, accessoire d'ailleurs, d'obtenir le meilleur tirage, au n° 419, que la condition, beaucoup plus importante, d obtenir le plus grand effet utile mécanique d'un poids donné de combustible appliqué au chauffage d'un calorifère, et enfin, au n"" 536, que celle d'assurer la conservation et le bon fonctionnement des pièces

GË!«ËRALITÈS SUR LBS APPAREILS RÉCEPTEURS. i80

de la machine et des corps lubréfiants, s'accordaient dans le cas général, pour la limiter aux environs de 500''.

Il n*existe point d'ailleurs avec l'air, comme avec la vapeur d'eau saturée, la difficulté signalée au n"" 536 pour atteindre cette limite.

Nous pouvons donc, dans un premier aperçu, quand il s'agit d*air atmosphérique, poser la limite ^^ = 10, et faire, pour simplifier les

calculs, ^^-^ = 2, ou a-h^ = 2a+2^, ^.= a + 2/, = 293"; a -f- 1 j

j' -1 A u K — ^i 293 — 20 273 ^ .^^ d ou II résulte ^ = ^73^^^ = 566 = O'*»^.

Ainsi, dans les conditions d'emploi ci-dessus, une machine à air peut rendre 0,482, tandis que la machine à vapeur, dans les conditions trés-pratiques définies au n"" 51 G (6 atmosphères, détente complète et condensation), rend seulement 0,276.

D'où un écart proportionnel de — ^^^ — = 0 ,43 , mesurant

lexcès de consommation de combustible auquel U semble qu'on se résigne, en employant la machine à vapeur au lieu de la machine à air, dans les conditions que rendent possible les propriétés physiques de ces deux fluides.

(•49) L'avantage théorique de la dernière machine est, comme l'on voit, assez considérable.

Si Ton y ajoute le double avantage de pouvoir fonctionner partout sans avoir besoin d'eau, d'être exempte des dangers d'explosion que présentent les chaudières à vapeur, on pourrait s'étonner que les machines à air ne se répandent pas davantage dans la pratique et qu'elles n'arrivent pas à remplacer peu à peu les machines à vapeur.

U n'en est rien cependant, et en fait, quoique la question des machines à air soit posée depuis longtemps, elles ne parviennent pas à prendre dans Tindusirie une place importante.

11 y a deux motifs pour qu'il en soit ainsi :

Un motif accessoire se trouve dans les meilleures conditions où Ton se place^ tant au point de vue de la conservation des organes qu*à celui de la douceur des frottements, à mesure qu'on se résoud

190 COURS DK MACHINES.

à abaisser la température au-dessous de 500*", et lorsqu'on substitue à un gaz chaud et sec une vapeur plus ou moins sursaturée.

Mais le motif principal se tire des dimensions essentielleinent différentes qu'il faut donner aux appareils récepteurs, selon qu'il s'agit a'appareils à vapeur ou d'appareils à air fonctionnant dans les conditions indiquées. Ce point demande quelque développement, et a besoin pour être mis en relief, qu'on pousse la comparaison entre les deux systèmes jusqu'aux valeurs numériques.

Supposons donc, d'une part, la machine à vapeur fonctionnant dans les conditions d'emploi définies au n"" 5ISf, c'est-à-dire produisant 57831 kilogrammètres par kilogramme de vapeur.

Supposons, d'autre part, que l'on prenne un kilogramme d'air, et qu'on le fasse fonctionner dans les conditions du n^ 444.

Je désigne par P, P', P", P*^ et par V, Y', V, Y\ les pressions et les volumes qui correspondent au commencement de chacune des 4 périodes de dilatation isothermique et de dilatation adiabatique, d'un côté, et de compression isothermique et de compression adiabatique, de l'autre, constituant les phases successives 2 à 5 du numéro précité.

Je désigne par t^ et t, les températures inférieure et supérieure par lesquelles passe c^tte masse d'air pendant une évolution complète, et par [JL le rapport que l'on établit entre les pressions extrêmes qui ont lieu au commencement de la dilatation isothermique et à la fin de la dilatation adiabatique.

On a évidemment les relations suivantes :

(a)... P — piP"

(p)... PV = PV'=:R(dH-g

(7)... FV^^^P^V*

(^)... PV'' = F"V'" = R(a4-<,)

(t)... P'"V"'*=^PY*.

De l'égalité (y) on déduit :

d'où l'on tire :

L'égalité (e) nous donne de même et l'on en déduit

On vérifie ainsi que ^ = ^^j?. ou ^ — -y^* ce qui est, d'après le

numéro 445, la condition connue pour que le cycle se ferme, ou que la masse d'air se retrouve à la fin d'une évolution dans les mêmes conditions qu'au commencement.

(650) Les relations ci-dessus pernlettent de trouver les rapports des diverses pressions et des divers volumes à la pression P'' et au volume V^ qui ont lieu lorsque s'ouvre la communication avec le réfrigérant.

On a en effet :

^ p=p-^'XT=Kv^y ^Ka-nJ

et Ton a également

V'/a + tAnrï

y... p.^| /^^^\,i V^-p^-ÛVaH-^i/

Ces relations permettront de se rendre compte de toutes les circonstances d'une évolution, de ralculer les dimensions à donner à

la machine, et de délerminer facilement le travail, soit moteur, soit résistant, qui correspond aux six phases considérées dans le n"^ 444 précité.

On trouvera ainsi :

1" Pour le travail moteur de Tadmission à Is pression P,

T, = PV==R{a4-y;

2® Pour le travail moteur de la détente à la température supérieure, depuis le volume V jusqu'au volume V, ou depuis la pression P jusqu'à la pression P',

T« = PV/J = R(a + g/-?x-^ = R(a4-y/a^|*"*;

y Pour le travail moteur de la détente adiabatique, du volume y au volume V", ou de la pression P' à la pression P*',

On trouvera de même :

i"" Pour le travail résistant de la compression isothermique, pendant le contact avec le réfrigérant,

V = F"V-/ ^^ = K(a^i,)l^ (Si;)*"* • 5** Pour le travail résistant de la compression adiabatique,

Tr = j^ (PY - F'V-) = ^ (t, ^ t,) ;

6*" Enfin, pour le travail du refoulement de l'air, ramené à la pression et à la température supérieures par le fait de la compression adiabatique ,

T% = PY=^R((i + g.

Les six expressions ci-dessus donnent lieu à diverses remarques.

On voit d'abord que les phases (1) et (6) du refoulement dans le

réservoir et de l'admission dans le cylindre moteur, se compensent

exactement, el qu'on peut ainsi faire abstraction de ce réservoir et considérer seulement, dans le diagramme analogue à celui de la figure 162, Taire comprise entre les deux courbes isothermiques et les deux courbes adiabatiques.

On voit ensuite qu'ily a, de môme, égalité entre les phases 3 et 5, qui correspondent Tune à la détente, l'autre à la compression adiabatiques, pendant que la température passe de la température t^ à la température t^, ou inversement .

11 ne reste donc comme travail utilisable que la quantité

Cette quantité est nulle, soit si t^=^t^, ce qui est évident, soit si

Ton a [L ( — --^) =1.

Ainsi une condition doit nécessairement être remplie, pour que la machine donne un travail utilisable, c'est que Ton ait

Cette condition établit donc une relation entre. le degré de compression qu'il faut donner à l'air, et la température ^,à laquelle cet air peut être porté.

fi I /

Si l'on donne à la quantité f les valeurs successives 2, 5,

4, etc., en donnant à t^ la valeur constante t^=lO^ et en remar-

A; quant que k = 1,408 ou r—-j= 3,45i , on trouve pour t^ les valeurs f,=295, ^,= 576, t^z= 859, et Ton en déduit :

Dans le premier cas. . ^> 10.05 Dans le second cas. * {4.> 44.00 Et dans le troisième cas (i > 1 20 . 00

On conclut de là que la condition de ne pas fonctionner à des pressions inacceptables emporte nécessairement, si Ton veut avoir Vi 45

un cycle réversible celle de ne fonctionner qu'à des températum modérées,

(651) Ainsi la température est limitée dans les machines à air, comme dans les machines à vapeur, par la considération de ne pas arriver à de trop grandes pressions. La limite est seulement plus élevée pour les premières machines que pour les secondes.

Supposons que Ton pose effectivement t^ = iO el ^,=295, ou

f^=% et que l'on prenne P égal à la pression atmosphérique

ordinaire, on devra, pour avoir un travail disponible appréciable, dépasser pour P la pression de 10',93.

Supposons que Ton prenne 14 atmosphères, ce qui est déjà bien élevé, ou que Ton pose [i. = 14, les relations ci-dessus établies deviendront :

<«-)■■■ ■;=(:-î-ir=(r=»-»'

On aura d'ailleurs ?'= 10,334'.

V' = 5^ = 29.271Xji^^ = 0-.8016

Les valeurs correspondantes du travail moteur ou résistant pour les six périodes considérées deviennent :

(1). . . T„ =:R(a4-y = 29.271 x 566=xl6.567^"- (2) . . . T'« = R (a -h «,) / 1 .280 = 4.092^-

(4)... Tr = R (a + «,)/ 1.280 =2.046^- (5)... T' =V =20.305^- (6)... T "=1^=10.567^-*

GÉNÉRALITÉS SUR LES APPAREILS RÉCEPTEURS. d95

et enfin le travail disponible

Ainsi, dans les conditions indiquées, un kilogramme d'air, occupant, à la pression atmosphérique et à 10**, un volume de 0"*.8016, ne donne qu'un travail définitivement disponible de 2046 kilogrammètres, parce que la plus grande partie du travail moteur produit pendant les phases d'admission et de détente est détruit pendant les phases de compression et d'alimentation.

On voit de suite quelle doit être, en pratique, l'importance des résistances passives, dans une machine où la plus grande partie du travail moteur développé est employée à vaincre un travail résistant inhérent au jeu même de la machine.

En outre, si l'on compare le travail disponible d'un kilogramme

d'air (2046 kilogram mètres) à celui qu'on a trouvé au n** 5î8f pour

un kilogramme de vapeur (57831 kilogrammètres), on voit que,

pour remplacer l'effet d'un kilogramme de vapeur, il faudrait em-

57831 ployer -ôât^ = SS'^S d'air atmosphérique.

Le volume final de cet air serait 28,3 x0".8016==22".656 et

son volume initial 22,656 X:y^ = 3"5237. Les volumes correspondants pour la vapeur d'eau seraient, comme on l'a vu au n® 5î8f , respectivement 16"».022 et 0".306;

Ainsi le volume final de l'air serait plus grand que le volume final de la vapeur dans le rapport de 22°*,656 à 16". 022 ; d'où l'on conclut qu'à force et à vitesse égales, la machine à air serait plus volumineuse, ou, comme on dit, plus encombrante que la machine à vapeur.

La figure 218 à laquelle nous renvoyons, est construite à la même échelle, tant pour les pressions que pour les volumes, que la figure 162.

De môme que l'aire du diagramme de celle dernière figure représente le travail d'un kilogramme de vapeur agissant dans les conditions spécifiées au n° 421, celle du diagramme de la figure 218 représente le travail correspondant aux 22"*.656 d'air agissant dons

les conditions définies en dernier lieu, et les aires des deux diagrammes sont égales, d'après ce qui vient d'être dit.

On remarquera queTencombremenl serait, en pratique, fc^«MC0Mp plus considérable que ne semblent l'indiquer les deux chiffres de 22",656 et de 16*", 022, et cela par les deux raisons suivantes :

En premier lieu, si Ton voulait avoir, non pas le même effet utile théorique, mais le même rendement pratique, il faudrait, à cause de l'importance plus grande des froltements, que l'effet théorique de la machine à air fût sensiblement plus grand que celui de la machine à vapeur.

Mais en outre, et c'est là sans doute la raison principale, le volume ci-dessus indiqué de 16",022 suppose qu'on a épuisé l'action de la détente de la vapeur, tandis qu'on a vu (n° 550) qu'on pouvait, non-seulement sans inconvénient, inais encore avec avantage au point de vue pratique, supprimer les dernières portions de la détente, qui correspondent à un très-petit surcroît de travail utilCy pour une très-grande augmentation de volume^ et pour une certaine augmentation correspondante du travail des résistances passives. On aurait donc un volume final, non pas de 16'",022, mais de 4 à 5 mètres cubes au plus. Une suppression analogue n'est pas possible avec l'air, à raison de la forme essentiellement différente de la courbe adiabatique.

Ainsi, dans les conditions que nous comparons, l'air devrait avoir un volume initial plus de dix fois plus grand et un volume final au moins quatre ou cinq fois plus grand que la vapeur d'eau. Les frottements seront donc beaucoup plus importants dans la première machine que dans la seconde, d'autant plus que la pression moyenne y sera en même temps plus forte. La conclusion est qu'en réalité, malgré sa supériorité théorique, l'emploi de l'air comprimé, dans les conditions de fonctionnement définies ci-dessuSy n'offrira pas en général d'avantage pratique important.

C'est l'opinion qui semble prévaloir chez la plupart des ingénieurs, plus préoccupés aujourd'hui de perfectionner l'emploi de la vapeur que de chercher à lui substituer celui de l'air chaud.

(65») Cette opinion doit-elle être acceptée comme définitive, et

n'y a-il en effet rien d'imporlant à attendre de cette substitution? La réponse est évidemment affirmative, en lant qu'il s'agit de machines à air fonctionnant dans les conditions exposées ci dessus, c'est-à-dire de machines pour lesquelles la température supérieure est limitée par la considération du degré de compression à produire pour réaliser cette température, et pour lesquelles aussi cette température est maintenue, pendant la détente isothermique, par l'action d'un foyer de chaleur extérieur à la masse d'air qui est enjeu dans la machine.

La première circonstance empêche l'emploi d'une température élevée qui correspondrait à des pressions absolument inadmissibles, et la seconde tendrait à rendre, en tous cas, le procédé inopportun, en diminuant, par cet emploi de températures trës-élevées, la quantité de chaleur transmise à l'air, pour une quantité donnée dégagée sur le foyer. (Voir n* 479.)

Mais il ne parait pas impossible de surmonter l'une et l'autre de ces deux difficultés.

(853) Pour la première, on pourra avoir recours aux régénérateurs dont on a parlé aux n""* 456 et suivants.

Supposons un de ces appareils maintenu à ses deux extrémités aux températures t^ et t^.

Oïl pourra, par exemple, alimenter la machine en prenant 1 kilogramme d'air occupant un volume d'air M" à la pression atmosphérique P" et à la température t^.

On le comprimera, à cette tempérai ure/]us(iu'k la pression P sous laquelle on veut le faire agir ; puis on le fera passer à travers le régénérateur, pour le porler, sous cette même pression^ à la température /,. Il aura alors un volume V, la température /, et une pres- :ion P qui n'a pas de relation avec cette température.

On fera agir l'air sur un piston en admettant ce volume, puis le laissant se dilater à température constante jusqu'à ce qu'il ait repris la pression initiale P". On le fera passer alors, en sens contraire, à travers le régénérateur, qui le ramènera à la température initiale t^ sans changer la pression P".

Désignons par V et par V" les volumes qu'occupent l'air à

la fin des périodes de compression et de détente isothermiques. Le travail moteur de la dilatation et le travail résistant de la compression isothermiques ont respectivement pour expression

et leur différence, à cause des relations PV=R(a-i-f,) et PV

= R (a + (J, est égale à

Il se produit, en outre, sur le piston moteur un travail moteur dû à rintroduction du volume V à la pression P et à la température /,, et un travail résistant dû au refoulement du volume V" à la pression P" et à la même température, donnant lieu par leur ensemble au travail résultant

On verra de même que l'aspiration par le piston alimenteur du volume V" à la pression P" et à la température t^^ et le refoulement du volume V à la pression P et à la température t^ donnent lieu au travail résultant

Il est facile de voir que ces deux résultantes sont chacune identiquement nulles, attendu que l'on a

PV=P"Y'"=R(a-f-<,^

F'V"z:i:PV'=:R(a + (i).

Le travail disponible se réduit donc à la quantité T«^T.= R (,-/,)/ ^ = R(^-(.)/pt.

Cette quantité doit être rapprochée de celle qu'on a établie plus haut (n'650).

T'.Tv^u(..- M /.(;-$!;)■

GÉNÉRALITÉS SUR LES APPAREILS RÉCEPTEURS. i99

Elles diffèrent essentiellement, en ce que, dans la première, on peut augmenter t^ ou la différence ^, — t^, en prenant arbitraire-

ment le rapport (jL=p^t tandis que, dans la seconde, le facteur

diminuant rapidement à mesure que t^ augmente, on

est obligé de donner à [x des valeurs rapidement croissantes et bientôt inadmissibles, pour ne pas trop réduire T'^ — T'^.

Si Ton suppose que Ton pose dans la première formule [x=: 7, ce qui nous donne une pression initiale égale aux plus hautes qu'on emploie dans les machines à vapeur ordinaires, et si Ton suppose /,= 410 ou ^,— t^= 400 en nombre rond, on aura

= 29,271 X 400 X 1.9459 = 22783 kilogrammètres.

On voit que, pour remplacer 1 kilogramme de vapeur, il suffirait,

57831 dans ces nouvelles conditions d'emploi, d'utiliser =2^,55

d'air, occupant, comme on l'a vu, O^^SOlô par kilogramme à la pression et à la température ordinaires, ou en totalité 2'*,028. Ainsi, contrairemenl à ce qui a été dit plus haut, la machine à air, dans ces conditions nouvelles, serait moins encombrante que la machine à vapeur à haute pression et à grande détente que nous prenons pour terme de comparaison.

La figure 219 représente le diagramme figuratif du travail, construit aux mêmes échelles des pressions et des volumes que les deux figures 218 et 162, et pour un volume de 2'°,028 d'air pris à la pression atmosphérique. II en résulte que les aires des trois diagrammes sont égales.

On voit que les courbes qui limitent ces aires sont essentiellement différentes, et leur discussion géométrique ferait ressortir les diverses propriétés qui ont été signalées précédemment.

On reconnaît que la machine à air, fonctionnant dans les conditions de la figure 219, n'a pas, au point de vue de l'encombrement, de désavantage théorique sur la niachinc à vapeur ; elle pourrait

n'avoir pas sensiblement plus de froltements, et elle aurait d'ailleurs Tavantage théorique d'un meilleur rendement des calories employées, par suite d'un plus grand écart des températures.

On peut conclure de ce qui précède qu'on est généralement, et Ericsson tout le premier, sorti de la véritable voie ouverte par cet ingénieur, en supprimant l'emploi des régénérateurs d'abord proposés par lui, et qu'il faut y revenir.

11 resterait à résoudre les difficultés pratiques, peut-être trèsgrandes, que peut avoir, au point de vue de la conservation des pièces et à celui de l'importance des frottements, l'emploi des températures élevées.

Mais, ainsi qu'on Ta déjà dit, la question est tranchée au point de vue mécanique, et les difficultés qui restent à résoudre sont du domaine de la physique appliquée, et non de celui delà mécanique pure.

(654) Pour la seconde difficulté, lo perle de chaleur qui se produit par l'emploi d'un foyer extérieur^ h cause de la chaleur qu'entraînent avec eux les produits de la combusiion, elle paraît assez difficile à éviter dans le cas de la machine à vapeur d'eau.

Toutefois, on a déjà indiqué l'emploi possible d'un mélange d'air chaud et de vapeur qu'on obtiendrait de diverses manières, par exemple en opérant la combustion sur un foyer à l'aide d'un courant d'air forcé, et saturant de vapeur d'eau les produits gazeux de la combustion avant d'aller les faire agir sur le piston d'une machine à air. Cette vapeur serait formée en projelant sur le foyer môme, ou dans le trajet du foyer à la machine, une certaine quantité d'eau liquide.

Cette disposition n'a rien d'irrationnel, et l'on peut penser que la vapeur ainsi môlée aux gaz chauds aurait accessoirement un effet favorable au point de vue des frottements de la machine, en même temps qu elle éviterait une partie de la perte de chaleur qui a lieu, dans le chauffage ordinaire des générateurs, par communication avec les corps environnants ou par la nécessité d'activer le tirage.

Ce système, qui constitue comme une sorte de machine mixte à air et à vapeur, se combinerait facilement avec l'emploi du régénérateur.

L'air, après sa compression et à sa sortie du régénérateur, rencontrerait une enceinte à V intérieur de laquelle serait le foyer chargé de coke et maintenu en activité par l'oxygène de cet air môme, fonctionnant comme calorifère pour entretenir la températurc constante pendant la période de détente isothermique.

Ce chauffage interne, en quelque sorte, aurait sur le chauffage externe ordinaire produit par une masse d'air étrangère à la machine, un avantage économique d'autant plus important qu'il s\i* giraitde fonctionner à des températures plus élevées.

En le combinant avec remploi du régénérateur, et avec une certaine injection d'eau, on aurait l'avantage :

1* D'augmenter le coefficient économique des calories employées, en marchant à des températures élevées, et le nombre de ces calories^ en supprimant les pertes dues au tirage ;

2° De pouvoir marcher, grâce au régénérateur, à des pressions limitées sans rapport avec ces températures ;

5* El enfin d'adoucir les frottements et de tempérer les excès de chaleur, par l'emploi accessoire de la vapeur d'eau.

Il me paraît que c'est dans cette voie que doit être cherchée la solution pratique des machines à air.

(655) Il est bon de remarquer que cet emploi simultané de l'air et de la vapeur n'est pas nouveau, et qu'en ce moment môme il est encore l'objet de quelque attention en Angleterre.

Mais dans le système de l'auteur, M. Warsop, la vapeur d'eau est le corps principal, et l'air insufflé dans la chaudière n'est qu'un accessoire fort secondaire.

Cet air est chauffé par la chaleur perdue des gaz, et sous ce rapport il peut y avoir quelque légère économie de combustible ; mais on la réaliserait aussi sûrement par une augmentation de surface de chauffe qui permettrait un refroidissement équivalent de ces gaz.

S'il y a quelques avantages à espérer du procédé, ce ne peut être que dans la facilité que le mélange d'air apporterait au dégagement de la vapeur, ou dans la moindre condensation que la vapeur éprouverait pendant qu'elle agit dans la machine.

Mais par contre, cette injection d'air peut empêcher l'emploi du

Giffard, et retarder la condensation. On peut donc penser que si elle a quelque avantage dans le cylindre^ elle devient radicalement désavanlageuse dans le condenseur^ pour les machines munies de ce dernier organe.

En somme le procédé Warsop ne peut être considéré que comme un accessoire d'un intérêt fort douteux des machinés à vapeur oitlinaires.

C'est en France, par M. Bel^u, qu'a été expérimenté, vers 1860. le système consistant à utiliser le produit gazeux de la combustion comme agent à peu près exclusif; puis M. Pascal a présenté un système analogue, dans lequel il a fait intervenir la vapeur d'eau d'une manière plus prononcée, mais encore secondaire.

Ces essais ont attiré vivement l'attention, lorsqu'ils se sont produits. Toutefois il ne paraît pas que les appareils dont il s'agit, soient parvenus à prendre place dans la pratique.

Ils ont un défaut commun à tous les appareils dans lesquels on introduit à l'intérieur d'une machine les produits gazeux de la combustion. Quelque soin que l'on prenne, on n'est pas parvenu jusqu'ici à empocher Tintroduction simultanée des produits solides (fumée, poussière, escarbilles légères), qui encrassent fortement la machine, usent les surfaces frottantes et nécessitent des arrêts fréquents.

C*est peut-être ce défaut, insignifiant en théorie, qui sera, en pratique, l'obstacle contre lequel viendront échouer ces foyers intérieurs alimentés à l'air comprimé.

En outre, ces mêmes appareils, tels que MM. Belou et Pascal les établissaient, avaient un vice de principe, consistant, comme dans les dernières machines d'Ericsson, dans l'absence des régénérateurs, indispensables pour avoir à la fois des températures assez élevées et des pressions assez modérées.

Ce vice de principe est certainement ce qui a empêché le développement des machines à air.

On n'en trouve guère qu'en Amérique, et seulement pour de petites forces, parce qu'au point de vue de la consommation de combustible, elles n'ont offert aucun avantage sur les machines à vapeur k'S plus ordinaires.

Googlç^

(656) Le système de chauffage intérieur dont nous venons de parier est praliqué, sous une forme un peu différente, dans les machines à gaz, connues sous le nom de machines Lenoir, du nom de leur inventeur. Dans ces machines, on emploie, au lieu du combustible ordinaire, le gaz d'éclairage. On le fait arriver dans le cylindre moteur en une série de filets parallèles, entre lesquels sont compris des filets d'air aspiré directement dans Tatmosphère. Il se forme ainsi des mélanges détonants que Ton enflamme périodiquement, soit avec •rélincelle électrique, soit, suivant le système simplifié de M. Hugon, à Taide d'un petit bec de gaz fixé dans le creux du tiroir. Ce bec est soufflé à chaque explosion; mais il se rallume, à chaque excursion du tiroir, au contact d'un bec extérieur avec lequel le creux du tiroir est mis en relation à l'extrémité de la course.

On voit que la machine Lenoir diffère d'une machine à vapeur, à la fois, par la nature du corps employé comme intermédiaire et par la nature du combustible. C'est un exemple du 5** cas indiqué au n*647.

La machine Lenoir est une machine à air employant le gaz d'éclairage comme combustible.

Mais c'est une machine qui rie fonctionne point du tout dans les conditions du cycle de Carnot ; car il s'y produit des changements brusques de pression et de température, et des changements de volume dus à des phénomènes chimiques, qui ne permettraient point du tout la réversibilité, caractère essentiel auquel on reconnaît un fonctionnement régulier et normal du phénomène de la transformation de la chaleur en travail.

En outre, les explosions successives qui ont lieu dans le cylindre, le portent bientôt à une très-haute température, et il faut généralement, pour que la machine puisse continuer de fonctionner, rafraîchir le cylindre, soit par une circulation abondante d'eau froide dans une double enveloppe, soit en le tenant plongé dans l'eau froide. Il y a là un vice essentiel, analogue à celui que présentaient les premières machines à vapeur, antérieurement à l'emploi d'un condenseur séparé du cylindre à vapeur. Ce courant d'eau est tel quç la machine dépense en réalité, pour une force donnée, beaucoup plus d'eau qu'une machine à vapeur; son échauffement doit être

204 COURS DE UAGHIiNES.

considéré comme un emploi parasile el inutile de la clialeur produite.

La machine Lenoir est, en définitive, «ne machine à air fonclionnanl dans de médiocres conditions théoriques^ et utilisant ainsi assez mal un combustible très-cher.

Son emploi est limité jusqu'à présent à de petites forces ayant à travailler d'une manière intermiltente.

Elle a, au point de vue du combustible, les avantages accessoires indiqués à la fin du n*" 647, et l'avantage théorique plus impor-* tant de la suppression du chauffage extérieur. Tout danger d'explosion est écarté par l'absence de la vapeur. Elle peut être mise en jeu et arrêtée instantanément, en tournant un robinet, et Ton économise ainsi, dans une marche très-discontinue, le combustible qui se consomme inutilement sur un foyer brûlant de la houille, soit pendant les temps d'arrêt pour entretenir le foyer allumé, soit au moment de chaque mise en train pour le ranimer.

On ne peut pas ajouter à cet avantage celui de ne pas avoir besoin d'eau. Nous venons de dire, au contraire, qu'il lui en faut, pour rafraîchir le cylindre, beaucoup plus qu'il n'en faudrait pour alimenter de vapeur une machine de même force.

(657) En résumant tout ce qui précède, on peut dire :

En premier lieu, que la théorie de la machine à vapeur, ainsi qu'on l'a déjà énoncé au n"" 533, est établie aujourd'hui sur des bases certaines tout à fait comparables à celles des moteurs hydrauliques; qu'il n'y a point à attendre, pour ce moteur, des perfectionnements radicaux comme ceux qu'on a pu espérer, en se plaçant à un point de vue théoriquement inexact, d'après ce fait, mal observé et plus mal interprété, qu'on retrouvait dans la vapeur, au sortir de la machine, la chaleur qu'elle y avait apportée en venant de la chaudière ;

Qu'on sait parfaitement la limite d'effet utile à obtenir pour un emploi de la vapeur dans des conditions données, ainsi que les principes à appliquer pour se rapprocher de cette limite;

Qu'ainsi, en réalité, les ingénieurs ou constructeurs n'ont pas aujourd'hui d'autre but à donner à leurs études sur les appareils à

vapeur, que des améliorations d'ordre secondaire^ en vue de perfectionner les appareils propres à l'application de ces principes, ou en vue de satisfaire à quelque convenance spéciale d'emplacement, de poids, de facilité de réparation, etc., etc.

En second lieu, que les machines à oir, fonctionnant purement et simplement dans des conditions plus ou moins rapprochées du cycle de Carnot, avec chauffage extérieur, ne peuvent remplacer avantageusement les machines à vapeur ordinaires, beaucoup moins encombrantes, présentant beaucoup moins de frottements, plus faciles à entretenir en bon état, et compensant ainsi, par divers avantages pratiques, une certaine infériorité du coefficient économique de la chaleur dépensée par elle.

Mais qu'il n'en est plus de même, et que le résultat est même lout a l'avantage des machines à air, lorsqu'elles fonctionnent avec des régénérateurs^ qui permettent, pour une pression donnée^ l'emploi d'une température beaucoup plus élevée, et avec la combustion intérieure, qui supprime la perte inhérente aux foyers extérieurs et 7xmd possible, sans autres perles que celle due au rayonnement, V emploi de cette haute température.

De ce résumé, malgré les inconvénients de plus d'un genre inhérents à cette haute température et à remploi direct des produits de la combustion, et tout en pensant qu'on aura toujours une marche moins sûre et moins commode qu'avec l'emploi de la vapeur, on peut conclure que les avantages économiques à espérer des machines à air convenablement établies ne seront pas toujours négligés; que la cherté croissante du combustible, fait économique inévitable et destiné à s'accentuer de plus en plus, rendra ces avantages économiques de plus en plus importants; et, finalement, que l'ingénieur qui parviendra à construire ces machines à air sur une grande échelle, en leur donnant le caractère pratique qui leur a fait défaut jusqu'ici, aura rendu à l'industrie un service de premier ordre.