COMPOSITION ET DÉNOMINATION DES MACHINES A VAPEUR
Le tuyau B est muni d'une valve destinée k maintenir cet excès de pression dans la chaudière (Jig, 4i6). Si la marche de la machine doit être régulière, la valve est mue par un régulateur, qui est ordinairement le pendule conique de Watt. Ce régulateur ferme un peu la valve quand la vitesse de la machine augmente, et il l'ouvre au contraire si la vitesse diminue.
Quand la vitesse ou le travail de la machine doit varier à des moments donnés, c'est a la main qu'on manœuvre la valve, ou le robinet qui peut alors la remplacer. En faisant varier la détente, on peut obtenir les mômes variations qu'en manœuvrant la valve, et cela à un degré supérieur.
A. la mise en marche, la pression est la môme dans le cylindre que dans la chaudière; mais après quelques tours elle devient plus faible dans le cylindre, à cause des frottements de la vapeur contre les parois, et surtout à cause du degré de fermeture de la valve.
Une machine est dite rotative lorsque la vapeur fait tourner directement Tarbre moteur sans l'intermédiaire d'aucun organe animé d'un mouvement de va-et-vient. On peut dire que les machines à réaction sont essentiellement rotatives; mais tous les essais tentés jusqu'à présent pour obtenir une telle machine à pression ont été infructueux (479).
Selon que la pression absolue de la vapeur dans la chaudière est inférieure à 2 atm. (387), ou varie de 2 à 4 atm., ou dépasse 4 atm., la machine est respectivement dite k basse pression, k moyenne pression ou à haute pression (449).
On distingue les machines dont la vitesse du piston ne dépasse pas 1 mètre à 1",40 par seconde, dites machines à petite ou à moyenne vitesse, de celles dont la vitesse du piston est plus grande, et qu'on appelle machines à grande vitesse ou machines rapides, cette dernière dénomination s'appliquant surtout aux machines qui font un grand nombre de tours.
Une machine à vapeur est dite à simple effet ou à double effet, selon que la vapeur motrice n'agit que sur une seule face du piston, ou alternativement sur l'une et sur l'autre face du piston.
Une machine à vapeur est dite Jixe lorsqu'elle est établie pour ne fonctionner qu'en un seul point. Les locomobiles sont des machines k vapeur posées sur des roues qui permettent de les conduire, sans les démonter, partout où l'on a besoin de leur puissance mécanique. Les locomotives se transportent en travaillant; quoiqu'il en soit ainsi des machines de bateau, on ne comprend sous le nom de locomotives que les machines k vapeur qui prennent appui sur railways ou sur le sol, et non contre un liquide.
Sont dites machines à vapeur demi-Jixes^ tes machines k vapeur dans lesquelles la machine et la chaudière sont solidaires, qui ne sont pas montées sur roues, qu'on peut transporter k l'aide d'un véhicule ordinaire, et facilement installer en un lieu quelconque.
La plupart des machine* à vapeur sont à un seul cylindre; mais il en est qui sont à deux cylindres.
HS«
[l y a des mac/Unes dont le cylindre est vertical, d'autres où il lïst horizontal, et enfin d'autres où il est incliné.
Sauf quelques exceptions de machines à vapeur dont l'arbre est verlical, cet arbre est généralement horizontal, et les machines à vapeur à arbre horizontal se divisent en :
Ifachines à balancier et bielle;
Idachi'ies à deux bielles sans balancier;
Machines à une bielle sans balancier ;
Machines à cylindre oscillant sans balancier ni bielle.
i^Jig. 1 17 représente ta coupe verticale par l'axe longitudinal d'une iii^Kliîne â condensation sans détente. Dans ces machines, dites de Watt, ' la pression absolue de la vapeur dans la chaudière est ordinairement inférieure à 1,2'i atmosphère.
Quoiqu'il n'y ait peut fitre pas deu\ constructeurs qui composent leurs machines identiquement l'un comme l'autre, quand on aura bien compris la description suivante, on ne sera nullement embarrassé pour s'expliquer le mécanisme d'une machine à vapeur quand on la verra lo.ite mo.ilre ou en dessin, quel que soit dn reste le système de la ma-
COMPOSITION ET DÉNOMINATION DES MACHINES A VA HE LU. Sol
A cylindre h Tapeur entouré dune enveloppe en fonte pour diminuer le refroidissement ; fi piston k Tapeur; C tige du piston k vapeur; D grandes chapes du parallélogramme; elles s'articulent avec le balancier et a^e^
un petit axe qui porte un manchon dans lequel se fixe le haut de la tige C; X chapes de la pompe à air et de la pompe alimentaire ; elles sont reliées au milieu de leur longueur par un axe auquel sont fixées les tiges des pompes k air et û eau froide;
r guides formant un papallélogramme aTcc Taxe du balancier et les chapes ; ils s'articulent k leurs extrémités aTec des axes, dont Tun est ])ercé d'une lunette pour laisser passer les tiges de pompes ;
p contre-guides ou contre -balanciers; ils s'articulent à une extrémité avec le petii axe k lunette dont il vient d'être question, et à l'autre k de petits axes fixés » Tentablement de la machine. Le mouvement horizontal de ces contre-guides étani contraire à celui du balancier, il en résulte que la tige C et celles des pompev 6e meuvent Terticalement ;
E balancier; il communique le mouvement à la manivelle G, par l'intermédiaire d<la bielle ;
G manivelle fixée sur l'arbre moteur ;
H volant monté sur l'arbre moteur ;
L bâche en fonte dans et sur laquelle sont fixés les différents organes de la machine:
M entablement en fonte ;
a tuyau qui amène la vapeur; il est garni d'une valve destinée k régler l'arrivée d«' la vapeur;
h caisse en fonte, dite boite à vapeur, dans laquelle arrive la vapeur ;
d ti e canaux établissant la communication entre la caisse b et le haut et le bas du cylindre;
o canal communiquant avec le condenseur;
e tiroir destiné k distribuer la vapeur. Le piston B étant arrivé en haut de sa coursi*. supposons que la tige z fasse baisser le tiroir, le canal d débouche dans lu caisse b et la vapeur arrive sur le piston, tandis que le canal o se met en com* munication avec celui <?, et la vapeur qui est sous le piston va au condenseur. Le piston étant arrivé au bas de sa course^ la tige z soulève le tiroir, le canal <* communique avec la boîte 6, celui d avec le condenseur, le piston B remonte, et ainsi de suite ;
f tuyau par lequel la vapeur se rend du canal o dans le condenseur ;
g condenseur; un robinet dont la tige s'élève au-dessus du niveau de l'eau dans l.i bâche. L règle l'entrée de l'eau dans le condenseur;
/{ pompe à air; elle, est destinée k retirer l'eau chaude du condenseur. La pom}>«' d^alimentation de la chaudière étant placée k côté de la pompe k air, elle est invisible dans le dessin ; elle foule une partie de l'eau chaude du condenseur dan^ la chaudière;
/ réservoir dans lequel la pompe k air élève l'eau ;
M tuyau de départ de l'eau du réservoir i;
K pompe élévatoire fournissant toute l'eau froide nécessaire au service de la machine:
/ tuyau d'aspiration de l'eau froide ;
if pendule conique (119) ;
X levier coudé recevant le mouvement du manchon inférieur du pendule et le transmettant, par l'intermédiaire d'une tige, k la valve régulatrice a;
f axe du pendule conique ;
m courroie passant sur l'arbre moteur et transmettant, par l'intermédiaire de roue» coniques, le mouvement k l'axe / du pendule conique. Le fond et le couvercle du cylindre se garnissent de robinets. •
PRESSION DE LA VAPEUR DANS LA CHAUDIÈRE ET DANS LE CYLINDRE. TRAVAIL DE LA VAPEUR DANS LE CYLINDRE. PERTES DE CHALEUR.
447. Équivalent mécanique de la chaleur. Quand deux corps frottent ou choquent Tun contre Fautre, il y a du travail dépensé et de la chaleur dégagée.
Si Ton comprime un gaz, il y a également du travail dépensé et de la chaleur dégagée. Si, au contraire, le gaz se dilate en poussant contre son enveloppe, il y a production de travail et absorption de chaleur. Comme cas particulier, si le gaz se dilate sans produire de travail, il ne perd pas de chaleur; ainsi, en établissant une communication entre un récipient rempli de gaz comprimé et un autre récipient où l'on a fait le vide, le gaz possède, quand il occupe les deux récipients, la même température que quand il n'occupait qu'un récipient.
De la vapeur, en poussant le piston d'une machine à vapeur, produit du travail en même temps qu'elle perd une portion de la chaleur qu'elle possédait en arrivairt au cylindre.
On admet aujourd'hui, d'après l'expérience, que dans tous les cas il existe un rapport constant entre le travail dépensé ou le travail produit et la chaleur dégagée ou la chaleur absorbée, et que ce rapport est
égal à 424; le rapport de la chaleur au travail est, par suite, égai à 7—:.
424 est le nombre de kilogrammètres qui dégage une unité de chaleur ou qui est produit par l'absorption de cette unité (322), et 0» l'ap-
pelle équivalent mécanique de la chaleur. — représente, au contraire,
la chaleur correspondant au travail de 1*", et il est appelé équivalent calorifique du travail,
448. Lorsqu'une machine à vapeur est en équilibre dynamique, on
im fmt mf
Vm, travail moteur dont on peut disposer sur l'arbre an volsBt ; Vm travail développé par la vapeur dans le cylindre ;
Vn travail nuisible absorbé par les frottements, y compris ceux de Tarbre du volant. Dans la formule générale du n° 45, îïm et Vm sont représentés respectivement par Vu et Vn
Dans le problème de l'établissement d'une machine à vapeur, on a Vmy et l'on se propose de donner à la machine des dimensions et des dispositions telles, que dans des conditions de vitesse ou de travail déterminées, les valeurs de T^m et Tn satisfassent à l'équation précédente.
Pour une machine construite, Vm se détermine à l'aide du frein (126), dans des essais qui ne peuvent avoir lieu que pour une certaine quantité de charbon, et aussi dans des conditions de vitesse ou de travail déterminées.
¥ig. tl8.
pr 1
449. Travail développé par la vapeur dans le cylindre d^une machine
sans détente. Pression de la vapeur dans la chaudière et doM le cylindre» Avon* tages et inconvénients des hautes près»
sions. £b kilogrammes par centimètre carré, P étant la pression de la vapeur sur la surface du piston, P' la contre* pression, et P — F la pression résultante, pour un espace quelconque z^ mè* très parcouru par le piston, le travail en kilogrammètres produit par la vapeur dans le cylindre est, par centimètre carré de surface de piston {fig. 418), z^P sur le piston, z^P* pour la contre-{H*ession, et z«(P — P') pour la pression résultante.
Faisant ab = P, ac = P', d'où ce = P — P', ce* travaux sont représentés respectivement par Taire des rectangles ahVa'^ ace' a' et cbh'&,
Tzr* étant la surface du piston en mètres carrés, le travail développé par la vapeur pour toute cette surface est, puisqu'il y a 10 000 centimètres carrés dans un mètre carré,
T'a» = 10 000 w% (P — P') kilogrammètres.
Si Fondait fait a6= 10 000 nr'P et oc = 10 OW)«r»P', le travail ^T» eût été représenté par le rectangle cbb'c'.
n étant le travail développé par la vapeur en chevaux, on a, pour une seconde, Vm = 75n, et la formule précédente deviemt
75n = 1 0 000 Ter^a^o (P — P') .
:cr% étant le volume Y de vapeur dépensé par seconde, en mètres cubes, on a donc
Sr,^ = 75n = 10 000 V {P — P').
ta)
Dams les machines sans condensation, la contre-pression P' est égale à la pression atmosphérique 1*, 033 29, plus un excès nécessaire pour faire sortir la vapeur et qui varie de 0*,15 à 0*,18; de sorte qu'on peut supposer P'= 1*^,2 en moyenne.
Dans les machines k condensation, P' varie de 0*^,1 à 0^,2, et s'élève jusqu'à 0\3 ; on peut faire moyennement P' = 0*,15.
La formule précédente (a) s'appliquant h un volume quelconque V de vapeur dépensée dans le cylindre, en l'appliquant au volume de 1' de vapeur, volume que nous donnons au tableau page 574 pour les différentes pressions effectives p en kilogrammes sur un centimètre carré, et par suite po>ur les pressions absolues P =:p + 1,03329 (page 574), on obtient les r^ultais «Lu tableau suivant
Tableau des valeurs du travail ikiorique V*m développées par un kilog, de vapeur.
PKBSSION
effective pkilog.
TALKUR DR T'a», EN KILMBAMMiTKES , POUR:
Fit: 1,2
Le tableau précédent montre que Tavantage de la condensation de la vapeur après son action sur le piston diminue à mesure que la pression de la vapeur est plus grande. Dans la pratique, cet avantage n'est guère réel que pour les pressions eflFectives p qui ne dépassent pas 4 kilog. par centimètre carré. De plus, l'emploi des hautes pressions ne se généralise pas à cause de l'irrégularité de travail qu'elles provoquent, des fuites plus fréquentes de vapeur qui en résultent, et des difficultés plus grandes de graissage.
AUX pressions effectives p :
13 5 7 9kilog.,
c cst-k-dire aux températures (page 574) :
la chaleur absorbée par un kilog. de vapeur est respectivement, d'après la formule de M. Regnault (326) :
Ces résultats, comparés aux valeurs de T'm du tableau précédent, montrent que le travail produit augmente avec la pression beaucoup plus rapidement que la chaleur dépensée. Sous ce rapport il y aurait donc encore avantage à marcher aux plus hautes pressions, sans les inconvénients d'irrégularité de travail, les fuites de vapeur et les difficultés, de graissage qui résultent de trop hautes pressions.
Comme noué le verrons plus loin (452), la détente augmente encon* l'avantage de la haute pression.
£n Europe, la pression absolue la plus habituelle est de 5 à 6 atni. En France, pour l'industrie, elle est ordinairement de 5 atm., et s'élève jusqu'à 6, 7 et même 8 atm. En Amérique, Olliver Evans fit de suite fonctionner les machines à 12 atm.; mais, à rencontre de ce qui a eu lieu en France, la pression, au lieu de s'élever, s'est abaissée à 7 ou 8 atm. Les locomotives fonctionnent à 8 ou 9 atm. en France, et l'on va à 10 et même 12 atm. en Amérique et en Angleterre.
La pression dans le cylindre ne peut guère être inférieure à celle de la chaudière de moins de 1/4 de kilog. par centimètre carré; cette diminution est de 1/2 kilog. dans les conditions les plus habituelles des passages et circuits de la vapeur, et de vitesse de machines; mais elle atteint parfois 1 et jusqu'à 2 kilog.
4S0- Poids de vapeur dépensé et poids de combnsiible brûlé par force Je cheval et par heure^ quand on ne fait pas nsage de la détente. Un cheval-vapeur étant équivalent à 75 x 3600 = 270 000*" développés par heure, remplaçant Vm par cette valeur dans la formule (a) du numéro précèdent, il vient
27 = Y(P - P'j, d'où V = p^ .
La vapeur étant supposée à la pression effective /^ = 4*' par centimètre earré dans le cylindre, c'est-à-dire à la pression absolue P = 5*,03329, si la machine est sans condensation, on a P'= 1*,2 et, par suite,
A la pression effective p = 4", le poids du mètre cube Ae vapeur étant
2^,52 (tableau page 574), le poids de la vapeur dépensée par cheval et par heure est donc
Supposant que 1* de houille produit 6^ de vapeur, on en brûkra 17,75 : 6 =^ 2^,96 par cheval et par heure. Si la machine était a condensation, on aurait P'= 0^,15, et
Fig. 119.
Le poids de la vapeur serait 2,52 X 5,529 = i3'',93, et le poids de combustible brillé 13,93 : 6 = 2^32.
Il y a des machines à condensation qui fonctionnent a des pressions absolues inférieures k une atmosphère dans le cylindre, c'est-à-dire pour lesquelles on a P < 1%03329,
4Si. Travail développé par la vapeur dans le cylindre quand on emploie la détente. Supposons que la vapeur agit à la pleine pression P kilog.
par centimètre carré (449) pendant la portion aa*z=z^ du parcours du piston, et seulement par détente à partir du point a', où toute communication est interrompue entre la chaudière et le cylindre.
Admettant que la vapeur se détend d'après la loi de Mariette (320), quand le piston a parcouru l'espace quelconque z\ X étant la nouvelle pression de la vapeur, on a
^ = §, d'où
Cette valeur de x détermine le point 6" de la courbe hyperbolique 6'c, qu'on peut alors tracer par points en en déterminant autant que l'on veut
Appelant d/ l'élément infiniment petit du parcours de a'd qui correspond à la pression x, le travail produit par la vapeur pendant le parcours de dr' est x&z', c'est-à-dire la surface de l'élément de l'aire de la courbe h'c qui correspond k àz'. Le travail total produit par la vapeur, sur un centimètre carré de la surface du piston, pendant le parcours de a'd, est alors représenté par l'aire a'b'cd. Comme le travail produit pendant le parcours de aa' est représenté par l'aire du rectangle abb'a' (449), le travail total développé pendant la course ad=^z est représenté par l'aire de la figure abb'cd.
Expression analytique de Faire a'b'cd, c'est-à-dire [du travail développé par la vapeur sur un centimètre carré de surface de piston, pendant la détente. Ce travail est (Int. 409 et 1793)
r* C^ dz' C^ (\z' T z
Tir* étant la surface du piston en mètres carrés et lOOOOw* en centimètres carrés, pour toute la surface du piston, ce travail pendant la détente est
A = iOOO«ar*z^ x 2,3026 log -,
ou, en remarquant que ler^Zf^ est le volume V de la vapeur avant la détente en mètres cubes,
A = lOOOOVP X 2,3026 log 4.
Le travail produit par la vapeur avant la détente étant (449) A' = iOOOOVP, le travail total, en kilogrammètres, développé par la vapeur sous le piston est
B = A + A' = lOOOOVP (l + 2,3026 log y) .
Y — étant la capacité du cylindre en mètres cubes, et P' la contre-
ra
pression en kilogrammes sur un centimètre carré de la surface du piston, considérant cette contre-pression comme restant constante pendant toute la course du piston, le travail qu'elle (absorbe pendant cette course est (449)
B'=iOOOOV^ P'.
Le travail réel développé par la vapeur pour une course de piston est îdops
5r'« = B — B' = 10 OOOVP U + 2,3026 log ~ — ^ X ~) . (a) Ponr z^ = ^, cette formule devient
ar'«=ioooov(p — P');
ce qui devait être, puîsqu'alors la machine fonctionne sans détente (449). Gomme le montrent ces formules, le travail Vm^ est d'entant plus grand que la pression P est plus forte et la contre-pression P' plus faible. Pour les machines d'usines, P est habituellement de 5 ou 6 kilog., et pour les locomobiles P atteint jusqu'à 10 ou 44 kilog. F varie de 0*,40 à 0^4S poîur les imachines à condensalion, et aile est moyennement de 1*,2 pour les machines sans condensation (449).
Selon que dans une machine à vapeur à détente — est égal à 2, 3,
4, etc., c'est-à-diare que ^ est égal à 4/2, 1/3, i/4, etc., on dit que la détente est au 4/2, au 4/3, au 4/4, etc.
Tableau des valeurs relatives de A=4 0 000VPx2,3026 log — , c'est-à-dire des quantités
de travail développées par la vapeur pendant la détente, le travail A*=ihOOOO\P produit avant la détente étant représenté par 4; du travail total B=A4-A', et du
z i*apport R (/e B atf travail 40000VP — que produirait la vapeur si elle agissait à
pleine pression, sans détente, pendant toute la course du piston.
VALEUR DE
0,0667= V^ii
VALEUR DE
O^ôl
Dans la /ig. 119, bf^'c ayant été tracée pour toute la surface nr* dn piston, soit graphiquement d'après la loi de Mariotte, soit pratiquement à Taide d'un diagramme, déterminant Taire B de abb'cd au moyen de Ja formule analytique précédente (6) dans le premier cas, et à Taide de la formule de Simpson ou de celle de Poncelet (InL 1268, 1269} s'il s'agit d'un diagramme pratique, désignant par P" la pression moyenne delà vapeur en kilogrammes sur un centimètre carré de surface pondant toute la course du piston, on a
iOOOOj:r*zP"=B, d'où P" = ^
La contre-pression étant P', le travail développé par la vapeur pour nn coup de piston est, comme dans une machine sans détente (449),
îTm = 1 0 OOOnr^z (P" — P'; .
Remplaçant la capacité Trr'a; du cylindre par son autre expression V ^ ,
il vient
ar'«=ioooov-(P'' — P'].
4o2. Détente ; sa limite. En prolongeant suffisamment la détente, la courbe 5V (fig. 119), qui indique en chaque point de la course du piston la pression de la vapeur sur ce piston en kilogrammes par centimètre carré, finit par rencontrer la droite ee^, dont la distance à la droite aa' représente la contre-pression P'. S'il n'y avait pas de frottements et autres résistances passives, le point e' serait la limite à laqueHe on pourrait pousser la détente. Mais comme avant d'arriver au point e' il est un autre point à partir duquel le travail absorbé par les frottements et autres résistances passives est supérieur à celui produit par l'excès de la pression de la vapeur sur la contre-pression, et à partir duquel le travail de la machine est négatif, il convient de ne pas dépasser ce point, ni même de l'atteindre, d'abord parce que la machine ne fonctionne pas toujours à son maximum de pression, et ensuite parce que de trop grandes détentes exigent des volants trop foï'ts.
Dans la pratique, il convient de limiter la détente de manière qu'à la fin de la course du piston l'excès^A- de la pression cd de Ja vapeur dans le cylindre sur la contre-pression kd soit de 0*,25 à 0*,50 par centimètre carré; 0^25 et quelquefois moins pour les fortes machines, et 0*,.'>0 pour les petites, surtout si le travail est susceptible de varier.
Appelant P, l'excès cAr, la pression de la vapeur à la fin de la course du piston est P' -h Pi, et l'on a
Pour une machine sans condensation, siP' = l\2 (449), Pj = 0*,o, ) et P=r oS valeur qui correspond sensiblement à la pression effec- ^
tivep=r4*(449), ona
^= ^'^t^'^ = 0,34, soit 1/3 environ.
Pour une machine à condensation dans laquelle P' = 0^,15, Pi = 0*^,215 et P =:: 5^, la limite de détente est
^0 0,15 + 0,25 . soitde-iki-
Dans la pratique des machines à condensation, on se trouve bien de détendre au 1/12, et l'on varie de 1/10 à 1/15 ; de plus longues détentes n'ont pas paru avantageuses. Du reste, la formule (a) montre que, pour des valeurs déterminées de P' et P^, la détente peut être poussée d'autant plus loin que la pression P est plus grande ; c'est ce que confirment les détentes-limites fournies par cette formule et consignées dans les tableaux des n*' 501 et 514.
Il y a environ vingt-cinq ans, on a établi des machines à condensation détendant au 1/20 et même au 1/25 ; mais on a reconnu que les détentes de 1/10 à 1/15 étaient préférables.
Quand une machine est puissante, il est bon de pouvoir faire varier la détente.
Les machines à deux cylindres, qui sont toujours à condensation, ne doivent détendre que de 1/10 à 1/12, la détente commençant dans le petit cylindre.
Les locomotives doivent détendre de 1/3 à 1/4.
455. Poids de vapeur dépensé et poids de combustible brûlé par force de cheval et par heure, quand on fait usage de la détente (450).
Supposons la pression effective p = 4^, et par suite la pression absolue P = 5^,03329. Si la machine était sans condensation, on ferait P' = 1*,2 et
- = 3 ; mais supposons-la à condensation, et par suite faisons P'=i 0*^,15
et - = 12. Un cheval-vapeur étant équivalent à 270 000"™ développés
par heure, la formule (a) du n° 451 devient, V désignant ici le volume de vapeur dépensé par cheval et par heure,
d'où \ = 1»%715.
Si l'on fait P = 5^ au lieu de P = 5*,03329, on obtient V = i"%728 au lieu de 1"%715. La différence de ces résultats est trop faible pour que dans la pratique on ne simplifie pas les calculs en négligeant la fraction 0%03329, surtout si l'on a égard à ce que l'erreur tend à augmenter V, et qu'une légère augmentation de ce volume est plutôt avantageuse que nuisible.
A la pression effective p =s 4% un mètre cube de vapeur pèsent 2%5d
PRESSION ET TRAYÀIL DE LA VAPEtHR. PERTES DE CHALEUR. 861
(page 574), le poids de vapeur dépensé par cheval et par henre est
L'équivalent mécanique d'une unité de chaleur étant 424*" (n* 447), la chaleur qui équivaut à un cheval-vapeur en une heure est
270 000 X 7^7 = 636,8 unités.
Cette chaleur étant sensiblement égale k celle contenue dans un kilog. de vapeur (326], la chaleur utilisée dans le cylindre, pour le cas qui
nous occupe, n'est que de „, soit de 20 à 25 pour iOO de la chaleur
dépensée. Le reste est emporté par la vapeur et absorbé par l'eau de
condensation.
\3n kilogramme de houille produisant 6 kilog. de vapeur, on en brûle
-2- — =r o*,72 par force de cheval et par heure, au lieu de 1/6 de kilog.
environ qu'on brûlerait s'il n'y avait pas de pertes et qu'il fût possible d'utiliser en travail toute la chaleur contenue dans la vapeur qui arrive dans le cylindre.
4S4. Causes de Pénorme différence de quantité de chaleur fournie par le foyer à la chaudière et de celle que la vapeur communique en travail à la machine (453). En outre de la chaleur qu'emporte la vapeur en quittant le cylindre, cette différence provient des six causes suivantes :
1**. Eau entraînée par la vapeur.
2*. Refroidissement extérieur de la vapeur depuis sa sortie de la chaudière jusqu^à sa
sortie du cylindre.
3*. Fuites de vapeur.
4'. Action refroidissante des tiges du piston et du tiroir. 5*. Espaces nuisibles.
6*. Condensation contre les parois intérieures du cylindre.
Avant de passer ces causes en revue, disons que pour les machines dont le cylindre est a enveloppe de vapeur bien entretenue, la perte due àleur ensemble varie des 0,15 aux 0,30 de la dépense de vapeur dans le cylindre, dépense calculée comme nous l'avons fait au numéro précédent; de sorte que pour tenir compte de cette perte il faut multiplier cette d^nse par 1,15 pour les fortes machines, et par 1,30 pour les faibles.
Lorsque le cylindre est sans enveloppe de vapeur, ces facteurs devieiment 1,30 pour les plus fortes machines sans condensation, et 1,50pour les machines les plus faibles à condensation.
Aa&. !'• perte, Veauentrainéejpar lavapeur s'élève à 20 ou 25 pour 100, sans descendre au-dessous de 5 à 6 pour 100 (370).
Cette eau sortant de la chaudière à 150« environ et y rentrant à 30% cela constitue à peu près une perte absolue de 150 — 30 unités de chaleur par kilogramme d'eau si la machine est sans détente, puisque alors cette eau quitte le cylindre presque à la même température de 150% après n'avoir par conséquent cédé qu'une quantité bien faible de cha-
862 TUOISIÈME PARTIE.
leur à la vapeur. Si la machine est à détente, l'eau cède de la chaleur à la vapeur qui se refroidit en se détendant, et par suite elle en emporte moins dans l'atmosphère ou dans le condenseur.
Quand la machine est à condensation, l'eau entraînée par la vapeur, pour être refroidie, exige une certaine quantité d'eau froide qui s'ajoute à; celle exigée par la condensation de la vapeur; d'où il résulte un excès de travail et par suite encore un surcroît de dépense de chaleur.
La vapeur étant toujours prise par secousses, il en résulte dans la chaudière une ébnllition tumultueuse qui est cause de Fénorme quantité d'eau entraînée parla vapeur. On atténue ces effets en augmentant le réservoir de vapeur, non-seulement par son volume, mais aussi en y maintenant, à l'aide du robinet ou de la valve, un excès de pression de 1/4 à 1/2 atmosphère. Certains constructeurs porteraient même cet excès a 2 ou 3 atmosphères. On a ainsi une réserve de chaleur qui empêche la chaudière de s'épuiser trop brusquement, et toute la ^vapeur d'un même coup de piston sort du réservoir sans qu'une partie de cette vapeur soit sortie de l'eau pendant le coup.
Non-seulement la quantité d'eau entraînée est diminuée, mais celle qui^'est encore se vaporise en partie dans la conduite, par suite de la diminution de pression et de température que le mélange de vapeur et d'eau y subit.
On ne doit jamais ouvrir brusquement le robinet de prise de vapeur d'une chaudière, car l'eau serait soulevée et entraînée en partie dans le tuyau, et de plus la machine pourrait être mise en marche trop précipitamment. S'il arrive qu'on ouvre le robinet brusquement, on doit se hâter de lo refermer pour l'ouvrir ensuite progressivement.
4S6. %" 'perte^ due au refroidissement extérieur (454). On rend à peu près nul le refroidissement extérieur des tuyaux et du cylindre en les entourant de corps mauvais conducteurs de la chaleur. Comme, de plus, si d'un côté le frottement de la vapeur contre les parois des conduites diminue la pression, de l'autre il développe de la chaleur qui réchauffe la vapeur et en augmente la pression, il en résulte qu'au besoin une machine a vapeur peut être placée assez loin de la chaudière, à 400 on 500 mètres dans certains cas. Un robinet fixé sous le fond d'un petit réservoir dans lequel se rend l'eau entraînée qui se dépose et celle qui provient de la condensation dans le circuit sert à faire évacuer cette eau . Au besoin, l'enveloppe du cylindre peut suppléer à ce petit réservoir.
Lorsque les machines ont une certaine force, on entoure aussi le cylindre de corps mauvais conducteurs, tels que du charbon pilé, du coton, etc., qu'on maintient par une enveloppe en douves de bois, d'acajou ordinairement, pour que les taches d'huile n'altèrent pas sa couleur.
Les pertes dues au refroidissement extérieur peuvent être réduites à 1 ou 2 pour dOO seulement.
On a eu longtemps l'idée de faire passer la vapeur sortant du cylindre dans une enveloppe en fonte entourant ce cylindre. Mais, surtout pour des machines à condensation, il se forme dans l'enveloppe des courants et des condensations qui refroidissent bien plus le cylindre que s'il était
à l'air. On doit faire circuler la vapeur dans Tenveloppe avant son entrée dans le cylindre, et non à sa sortie.
457. 3* perte, due aux fuHes de vapeur (454). Il est impossible d'éviter toutes fuites de vapeur; mais aujourd'hui elles sont faibles, k cause de la bonne construction et du bon entretien des machines. Les sou-^ papes de sûreté sont bien rodées sur leur siège et se soulèvent rarement; les appareils de distribution sont bien dressés ; les stuffing-boi des tiges du piston et des tiroirs sont bien faits, et il en est de même de la garniture du piston. Si à la mise en train quelques petites fissures laissent passer de la vapeur, les fuites diminuent avec la température, et elles cessent quand les pièces sont convenablement échauffées par la Tapeur ^ à 5 ou 6 atmosphères, à Cause de l'action répulsive de la chaleur.
Si les fissures dépassent la limite de l'action répulsive de la chaleur, il faut les boucher, car les fuites deviennent considérables.
458. 4* perte, due aux tiges du piston et des tiroirs (454). Ces tiges, par leur mouvement de va-et-vient, après s'être refroidies dans l'atmosphère, viennent successivement s'échauffer dans la vapeur en en condensant une partie. Si la vitesse est petite, cette condensation est encore i4>préciable ; mais si la vitesse est grande, les tiges s'échanffent par leur frottement dans les stuffing-box, et la condensation est à peu près négligeable.
4o9. 5* perte^ due aux espaces rtuisibles (454). On laisse toujours un espace Aibre de quelques millimètres entre les extrémités de la course du piston et les fonds du cylindre. Gela est indispensable pour éviter les chocs qui pourraient provenir d'un léger jeu ou de la dilatation de quelques pièces, ou de l'incompressibilité de l'eau entraînée par la vapeur. Pour les machines bien établies sur plaques de fondation, disposées pour qu'il n'y ait pas trop d'eau entraînée ou condensée, et dont les pistons ne portent ni boulons ni clavettes pouvant se desserrer, l'espace libre à chaque extrémité de la course peut être réduit à 5 ou 6 millimètres.
Au commencement de chaque course du piston, l'un de ces espaces libres et le conduit qui établit sa communication avec le tiroir se remplissent de vapeur à pleine pression, et si la machine est sans détente, cette vapeur va dans l'atmosphère ou dans le condenseur à la fin de la course du piston, sans avoir produit aucun effet. Si la machine est à détente, la vapeur qui remplit ces espaces nuisibles se joiAt à celle qui se trouve dans la partie utile du cylindre pour agir par détente sur le piston, et elle produit ainsi un certain effet, mais qui n'est qu'un effet de détente et non de pleine pression.
Lorsque la machine est sans condensation, en faisant, à l'aide d'un recouvrement donné au tiroir, fermerl'échappement avant que le piston n'arrive à la fin de sa course, on peut comprimer la vapeur du coup précédent dans l'espace nuisible, de manière à l'y amener sensiblement à la pression de la vapeur qui va arriver de la chaudière, et annuler à peu près la perte de vapeur due aux espaces nuisibles.
4<t0. 6* perte j due à la condensation intérieure contre les parois du
' cylindre j les bases du piston et les conduits établissant la communication entre le tiroir et les extrémités du cylindre (478). Sous ce rapport, on distingue les machines à cylindre sans en'veloppe, et celles à cylindre à enveloppe de vapeur réchauffant tout le pourtour et souvent même les fonds du cylindre.
A la mise en train, le cylindre, le piston et les conduits étant froids, il se condense de la vapeur sur leurs parois en contact jusqu'à ce que ces parois aient acquis sur une certaine épaisseur la température de la vapeur agissante. Quand le piston change de direction, la température tombe de 152° si la vapeur est à 5 atmosphères, à 30, 40 ou 50', qui est la température du condenseur, et Teau qui recouvre les parois s'évapore jusqu'à ce que ces parois soient aussi refroidies à la température du condenseur. A chaque coup suivant du piston, tout se reproduit comme pour le premier, si ce n'est que les parois ont la température du condenseur au lieu d'avoir celle de l'atmosphère.
De cette condensation de vapeur qui réchaufiFe les parois, et de la vaporisation de l'eau condensée qui les refroidit, et cela à chaque coup ,de piston, il résulte une perte énorme de vapeur, qui atteint jusqu'à 40 p. 100 pour les petites machines à condensation, et qui est encore de 40 p. 100 pour les grandes.
Dans les machines sans condensation, tout se passe comme dans celles à condensation ; mais comme alors la température ne tombe à chaque coup qu'à 100**, ce qui correspond à la pression atmosphérique, il en résulte une condensation moins grande, et par suite une perte relativement moindre.
Comme à chaque coup de piston il se condense 0*,02 de vapeur par mètre carré de surface pour un excès moyen de 70" de la température dans le cylindre sur celle de l'atmosphère ou du condenseur, admettant que la perte est proportionnelle à l'excès 0 de température, la perte totale pour une heure sera
P = 0,02 1 (* + iÇ + ::dZ+ 2|l^j 2N X 60.
S surface intérieure de chacun des deux conduits allant du tiroir aux extrémités du
cylindre ; d diamètre du cylindre; t course du piston (478); d' diamètre de la tige ; N nombre de tours du volant par minute.
La quantité entre parenthèses exprime la surface refroidissante qui se trouve en contact avec la vapeur pour chaque coup simple du piston.
En entourant le cylindre proprement dit d'un deuxième cylindre, et faisant circuler la vapeur dans l'intervalle qui les sépare avant de la faire agir sur le piston, on parvient à supprimer à peu près la perte précédente.
Un peu avant la mise en marche, on fait circuler dans l'enveloppe de la vapeur venant de la chaudière, de manière à amener le cylindre à la
température de la vapeur. Alors, celle-ci pénétrant dans le cylindre, ne se condense plus sur les parois, et il n'y a plus de refroidissement provenant de la vaporisation de Teau condensée. Pour les coups suivants, comme la vapeur de Fenveloppe maintient le cylindre à la température de la vapeur agissante, les condensations et par suite les pertes intérieures continuent à être supprimées.
Supposant que Fenveloppe entoure entièrement le cylindre, le piston n'en continue pas moins k avoir constamment une base en contact avec la vapeur agissante et l'autre avec la vapeur qui va au condenseur ou dans l'atmosphère, et comme il n'est réchauffé qu'imparfaitement sur sa face latérale à travers le cylindre, la vapeur continue, quoique en moindre quantité, à se condenser sur sa base. Il eii est de même des conduits de vapeur, qui ne sont pas entourés de toute part par la vapeur de l'enveloppe. La tige du piston continue aussi à condenser de la vapeur.
Appliquée à ces trois causes, la formule précédente devient, 6-' étant la portion de conduit non en contact avec l'enveloppe.
En outre de la perte due à ce que l'enveloppe ne supprime pas entièrement la condensation intérieure de la vapeur, il en naît une lé^^'re due à ce que la vapeur de l'enveloppe, qui a même toujours une pression supérieure à celle du cylindre, réchauffe un peu la vapeur qui sort de ce cylindre.
Pour une machine à détente, si le cylindre est sans enveloppe, avant la détente il se condense de la vapeur contre les parois en contact comme si la machine était sans détente. Mais comme pendant la détente il y a diminution de pression, abaissement de température, et par suite dégagement de chaleur, il en résulte, quoique la vapeur puisse encore se condenser contre les nouvelles parois découvertes, qu'une partie de l'eau condensée se vaporise, et que celle qui reste condensée est moindre et par suite aussi la perte de chaleur. De plus, l'eau qui se vaporise, qu'elle provienne de la condensation ou en partie des 5 à 25 p. 100 de Veau entraînée par la vapeur, empêche la pression de descendre aussi rapidement pendant la détente. Il paraîtrait même que la courbe pratique h'f{fig, 119), qui se' confond en 6' avec la courbe 6V tracée d'après la loi de Mariette, indique constamment des pressions plus grandes que cette dernière, et que l'excès de pression ou l'écartement des courbes augmente avec le degré de détente.
Quand le cylindre delà machine a détente est à enveloppe, d'abord il ne se condense pas de vapeur dans le cylindre ; ensuite l'enveloppe réchauffe la vapeur pendant la détente, vaporise un peu de l'eau entraînée par la vapeur, et par suite empêche la pression de diminuer aussi rapidement. La courbe pratique b'g de détente indique des pressions plus grandes que la courbe 6'e' tracée d'après la loi de Mariette {fig. 119); mais moindres, paraît-il, que la courbe b'f donnée par le
866 TI10X»ÈU£ PARTIE.
même cylindre sans enveloppe* Ainsi le réchauffement de la vapeurpendant la détente augmenterait moins la pression que la vaporisatioa d'une partie de l'eau condensée contre les parois du cylindre.
Gomme la vapeur se condense en général contre la base du piston et souvent aussi contre l'une des bases du cylindre, l'enveloppe n'entourant le plus souvent le cylindre que latéralement, la courbe b'g s'écarterait d'autant plus de celle h'e' que le rapport du diamètre du piston à la course est plus grand, et si ce rapport est faible, b'g se confond sensiblement avec b'e'.
D'après la fig. 119, la force d'une même machine à détente serait plus grande quand il n'y a pas d'enveloppe que quand il y en une», et, dans un cas ou dans l'autre, plus grande que ne l'indique la loi de Mariotte. Comme cet excès ne peut jamais être bien grs^nd, que déplus il est très-variable, on calcule les dimensions des machines d'après la formule déduite de la loi de Mariotte. On obtient ainsi des machines donnant un petit excès de force, ce qui est pratiquement plutôt avanta> geux que nuisible.
Quoique sous le rapport de la dépense de vapeur, l'avantage de l'en-^ veloppe soit moindre pour les machines à détente que pour celles sans détente, à cause de la plus faible quantité de vapeur condensée, cet avantage n'en est pas moins très-important.
La perte due à la condensation intérieure dans les machines sans* enveloppe est restée longtemps inaperçue, et Watt n'a même employé les enveloppes que dans le but de réchauffer la vapeur dans le cylindre, ce qui est le moindre avantage.
Dans des expériences faites sur une faible machine à condensation, on a trouvé une économie de 40 p. 100 à employer une enveloppe, et cette économie varie ordinairement de 20 à 30 p. 100. La chaleur dégagée par le frottement du piston peut compenser en partie les pertes, et occasionner des erreurs dans l'appréciation de ces pertes.
Au commencement de la marche d'une machine sans enveloppe,, il peut s'accumuler assez d'eau dans le cylindre pour causer des chocs et même des ruptures quand le piston arrive aux extrémités de sa course. On évite ces inconvénients par une mise en train très-lente. Avec les machines à enveloppe on n'a pas besoin de prendre cette précaution, et cela est très-avantageux dans un grand nombre de cas, comme, par exemple, dans les forges, où il est important de pouvoir faire la mise en train très-rapidement. Sous ce point de vue, il serait bien opportun de faire usage d'enveloppes dans les locomotives.
La perte de vapeur dans l'enveloppe et très-faible. Pour les machines sans détente elle n'est due qu'à un faible rayonnement extérieur de Tenveloppe, et dans les machines à détente elle est due en outre au rayonnement du cylindre sur la va];>eur pendant la détente.
461. Indicateur de la pression de la vapeur dans lé cylindre. Watt
imagina ce petit appareil pour déterminer en chaque point de la course
du piston la pression de la vapeur dans le cylindre, constater la loi de
variation de cette pression, et obtenir le travail développé par la vapeur.
Cet appareil, peu modifié depuis Watt, et représenté à peu près au
quart de sa grandeur naturelle par \&/ig. 120, se compose d'un petit cylindre creux AA, qu'on fixe par une partie filetée B sur le couvercle du cylindre de la machine à vapeur k expérimenter. Dans la partie inférieure du cylindre AA se meut un piston dont on voit la tige par la fenêtre longitudinale f. Cette tige, qui sort par le haut du cylindre, est entourée d'un ressort en hélice, que la vapeur comprime par suite de sa pression sous le petit piston ; et, si le ressort est bien fait, la compression, c'est-à-dire la quantité dont le petit piston s'élève, est proportionnelle à la pression de la vapeur dans le cylindre.
Lorsque la pression descend au-dessous d'une atmosphère, comme dans quelques machines à condensation, le ressort en hélice agit par compression, puis par traction, ce qui nuit à sa conservation et à la régularité de son fonctionnement. On évite cet inconvénient en ayant recours k deux ressorts indépendants, placés Vun au-dessus de l'autre, entièrement détendus à la pression atmosphérique, et n'agissant que par compression, l'un quand la pression est supérieure k une atmosphère, et l'autre quand la pression devient moindre.
Le déplacement du petit piston, c'est-k-dîre la pression de la vapeur, est indiqué, au dehors, sur une échelle que parcourt un style ik relié à la tige de ce piston par un bras qui traverse la fenêtre ff.
Sur un support fixé au cylindre AA est établi un tambour T mobile autour de son axe, qui est fixe. A l'extrémité k du style est adapté un crayon dont la pointe s'appuie sur une bande de papier enroulée sur le tambour T, et y trace les courbes indiquant la pression de la vapeur aux différents points de la course du piston de la machine à vapeur.
Un fil est enroulé par une extrémité dans une gorge creusée dans le bas du tambour T, et par l'autre extrémité sur un petit treuil t. Sur Taxe de ce petit treuil est montée une poulie P, sur laquelle s'enroule an second fil F dont l'extrémité libre s'attache à un bras fixé à la tige 4ti piston de la machine k vapeur quand on fait l'expérience. Un ressort en spirale, fixé intérieurement à la paroi du tambour T
Fig. 121.
d'une part, et à l'axe de ce tambour d'autre part, se comprime quand le piston de la machine, pendant son allée, entraîne le fil F, et il ramène le tambour T dans sa position primitive quand le piston revient sur luimême, de manière à tenir toujours les fils tendus.
Avant de placer l'instrument sur le cylindre, alors que la pression atmosphérique agit sur les deux faces du petit piston, faisant tournera la main le tambour T, le crayon trace sur la bande de papier la circonférence d'une section droite du tambour. Cela fait, vissant l'appareil sur le cylindre, ouvrant le robinet R, et accrochant le fil F à la tige du piston, le crayon, par suite des mouvements simultanés du petit piston et du tambour T, trace sur la bande de papier une'courbe dont les ordonnées mesurent les pressions, et dont les abscisses sont proportionnelles aux espaces parcourus par le piston de la machine. Après l'expérience, planifiant la bande de papier, on obtient la /^r. 124 ,
dans laquelle la droite CD est la rectification de la circonférence tracée dans l'expérience préliminaire, alors que la pression atmosphérique agit seule sur les deux faces du petit piston ,. et qu e par suite les ressorts en hélice sont entièrement détendus. La courbe EFGHIE, tracée pendant l'expérience proprement i dite, pour une allée et un retour du grand piston, est entièrement fermée, et comprise entre deux génératrices LF, MK du tambour, qui la divisent en deux parties, l'une EFGH tracée pendant l'allée du grand piston, et l'autre HIE tracée pendant le retour de ce même piston. La distance CD des génératrices LF et MK représente la course du grand piston a Téchelle indiquée par le rapport du rayon du petit treuil t a celui de la poulie P.
Traçant une droite LM parallèle à CD, à une distance CL représentant une atmosphère de pression, quand pendant l'allée CD le piston est arrivé au point correspondant au point quelconque 0, la pression absolue de la vapeur sur le piston est représentée par NP. Pendant le retour DC, quand le piston corresoond au point 0, la contre-pression est représentée par IP.
Le diapiîètre du petit piston étant de 0",0113, afin que sa surface soit d'un centimètre carré, NP est la pression absolue de la vapeur sur le piston en kilogrammes par centimètre carré, et IP est la contre-pression absolue en kilogrammes sur la même surface. L'aire LFGNHM représente en kilogrammètres le travail développé par la pression absolue de la vapeur sur un centimètre carré de surface de piston pendant l'allée du piston ; l'aire LEIHM représente le travail absorbé par la contrepression pendant le retour du piston, et la différence EFGNHIE de ces aires est, en supposant que tout se passe d'une manière identique sur les deux faces^du piston, le travail réel développé par la vapeur dans le cylindre pour un coup de piston.
Eq multipliant les pressions et les travaux indiqués par l'instrument sur la /î^. 121, par la surface du piston de la machine en centimètres carrés, on a les pressions et les travaux pour toute la surface du piston.
Avant d'accrocher le fil F à la tige du piston, on ouvre pendant un instant le robinet R, afin que la vapeur vienne échaufifer le cylindre AA, et qu'elle n'y éprouve aucune perte de pression pendant le tracé de la courbe, r»
Les courbes obtenues avec l'indicateur étant toujours petites, à angles arrondis, et tracées avec un crayon assez gros, les résultats qu'elles fournissent ne peuvent être que plus ou moins approchés ; mais jusqu'à présent aucun appareil ne remplace celui de Watt.
11 y aurait lieu, après avoir opéré a Tune des extrémités du cylindre, de recommencer Texpérience en plaçant l'indicateur de pression à l'autre extrémité du cylindre, pour mesuser de même le travail produit par la pression sur l'autre face du piston, et celui absorbé par la contre-pression sur la première face; mais comme le tout est à peu près identique pendant l'allée et pendant le retour- du piston, on peut ordinairement se dispenser de faire cette seconde expérience pour évaluer la puissance de la machine.
462. Appareils divers de distribution de la vapeur. D'après le mode d'agir de la vapeur, on distingue les appareils des machines sans dé^ tente et les appareils des machines à détente.
Sous le rapport de la forme et de la composition mécanique, on distingue les appareils à surfaces glissantes et les appareils à soupape^. Parmi les premiers, qui sont presque exclusivement employés, puisqu'ils comprennent les tiroirs proprement dits, on peut ranger les appareils a robinets, qui ont complètement disparu à cause de la difficulté d'obtenir un robinet parfaitement étanche et qui ne grippe pas.
Comme nous allons le voir dans ce qui va suivre, les appareils à détente ne sont autre chose que ceux sans détente, simplement modifiés en quelques parties, ou auxquels on a ajouté un nouvel organe destiné à intercepter l'arrivée de la vapeur à un instant donné de la course du piston.
Les distributions au moyen de soupapes ne sont appliquées qu'a dei^ machines fixes , ordinairement de très-fortes dimensions et employées sur les mines pour l'épuisement des eaux. Ces machines sont souvent à simple effet. En fixant a différentes hauteurs les tasseaux qui servent à décrocher les soupapes, on peut admettre la vapeur pendant toute la course du piston, ou pendant une portion quelconque de cette course. Dans ces machines, qui ne sont guère répandues que dans le Cornouailles, on détend habituellement depuis 1/4 jusqu'à 1/8 de la course du piston. Pour éviter autant que possible les déperditions de chaleur^ on entoure le cylindre d'une chemise de vapeur, et l'on recouvre l'enveloppe extérieiire en fonte de corps mauvais conducteurs de la chaleur, tels que la sciure de bois.
Les soupapes ne conviennent pas pour les machines fonctionnant à plus de 50 tours par minute, à cause des chocs qu'elles produisent en
retombant sur leur siège, et du bruit et dee détériorations qui en résultent.
463. Tiroir à coquille. Le tiroir le plue simple et le plue répandu
consiste en un prisme rectangulaire CD, portant un ^' '**' évidement I sur l'une de ses faces, et auquel, à cause
de sa forme, on donne le nom de coquille, et en une b(nte PQ dans laquelle se rend la vapeur, i^ue la coquille mise en mouvement par une lige t distribue alternat] veraent sur les deux faces du piston, en même temps qu'elle permet à la vapeur de se dégar ger après son action sur le piston et de se rendre dans l'atmosphère ou dans le condenseur.
La fiwe intérieure de la boîte sur laquelle glisse la coquille prend le nom de glace. Elle est percée de trois ouvertures, dites lumièrea, qui communiquent, deux avec les extrémités du cylindre, et la troisième avec l'atmosphère ou le condenseur. Les deux premières E et F sont appelées Iwnièret d'admitnon, et la troisième G, lumière d'échappement.
Les lumières sont rectangulaires et plus larges que
longues, afin que pour une faible marche du tiroir il
y ait une grande ouverture découverte pour l'entrée
et l'échappement de la vapeur.
Le creux de la coquille a au moins la même largeur que les lumières,
et pour les grandes coquilles les parties frottantes latérales ont de 2 i
3 centimètres de largeur. Les patins ou parties frottantes H et H' qui te^
minent la coquille sont appelés barrettes.
Il arrive quelquefois que les tiroirs ^jppent. Cela est dû aux corps étrangers entraînés par la vapeur, el à ce que quand on n'a pas légèrement arrondi à la lime les arêtes trop vives des lumières et de la coquille, il s'en sépare des parcelles de fonte qui rayent et font gripper les surfaces frottantes.
On dispose un robinet pour l'écoulement de l'eau de condensation, et cette eau entraîne les corps étrangers.
464. Règlement des tiroirs à simple coquille (463). Pendant longtemps on a donné à la coquille des dimensions telles, que ses barrettes ne recouvraient qu'avec un excès de 1 à 2 millimètres les lumières d'admis- • sion E et F quand la manivelle de la machine était aux points morts A et B [fig. 122). Le grand rayon OM de l'excentrique était à angle droit avec le rayon OA de la manivelle.
L'angle AOM est appelé l'avgle de calage, et on le fwsait de 90" d'après l'ancienne règle. Un ouvrier habile ayant un peu augmenté cet angle, les machines donnèrent une grande économie de combusiible et une plus grande vitesse. L'excès de l'angle de calage sur 90* est appelé l'angle d'avance.
L'angle de calage étant de 90*, et les barrettes H et H' de la coquille n'ayant que sensiblement la longueur des lumières E et F, si la ma-
Fig. 123.
chine marche lentement et que la coquille ouvre très-vite les lumières,
la pression maximum ac reste sensiblement coi>stante pendant toute la course ab du piston. Comme, de plus, la contre-pression aa' reste aussi constante, fl en résulte que le travail développé par la vapeur dans le cylindre est représenté par Taire du rectangle acdb, et celui absorbé par la contre-pression par Taire du rectangle aa'b'b. Le travail moteur effectif développé dans le cylindre est alors représenté, pour une course du piston, par Taire du rectangle a'cdb'.
Toute grande que soit la vitesse d'arrivée de la vapeur, la pression dans le cylindre diminue à mesure que la vitesse du piston augmente ; or, comme cette vitesse va en augmentant depuis le commencement de la course jusqu'au milieu, où elle est toujours assez grande^ pour décroître ensuite jusqu'à la fin de la course, le côté crf, au lieu d'être droit, affecte la forme courbe ced.
La, lumière ne peut pas s'ouvrir assez brusquement à Tadmission, pour que la pression passe instantanément de la contre-pression aa' à la pression maximum ac^ et il en résulte qu'une portion cf de la eourbe ced est remplacée par la courbe a'f.
La lumière ne peut pas non plus s'ouvrir assez brusquement à Té* chappement pour que le piston, arrivé au point 6, la pression bd tombe înstaotanément à la contre-pression normale b'b\ elle n'y arrive que quand le piston a parcouru dans le sens 6a un certain espace bg ; espace pendant le parcours duquel la contre-pression est mesurée par les ordonnées de la courbe dg' par rapport à 6a, au lieu d'être constante et égale à 66'.
Il est à remarquer que la ^9. 123 est tracée comme le ferait l'indicateur de pression (461) placé en a, c'est-à-dire que les pressions et contre-pressions y sont indiquées pour la même face du piston; les pressions pour Tallée a6 et les contre-pressions pour le retour 6a.
Le travail effèctit'de la vapeur pour un coup de piston, au lieu d'être représenté par le rectangle a'cdb', T^st seulement par le quadrilatère curviligne a'fedg'^ après avoir subi trois diminutions, qui sont d'autant plus grandes, que la machine marche plus vite. En exagérant la vitesse, on arrive même à avoir une surface représentative du travail à peu près nulle, quoique cependant, pour une course de piston, le volume de vapeur dépensé, à la pression maximum, soit toujours sensiblement égal à celui engendré par le piston, et cela sans avoir égard à la perte duc aux espaces nuisibles, perte qui est la même dans tous les cas. Pour une même dépense de vapeur, on est parvenu à supprimer les diminutions de travail représentées par a'cf eig'db', et à atténuer celle représentée par ced. Pour cela, on a recours à deux dispositions ou artifices, dont le premier consiste à augmenter un peu l'angle de calage ÂOM ifig. 122), et le second à donner du recouvrement aux barrettes de la coquille sur les lumières d'admission E, F.
TROISIÈBIE PARTIE,
Fig. i24.
46S. Premier artifice (464). En augmentant l'angle de calage AOM, il en résulte qu'avant que la manivelle n'arrive au point mort A (^^r. 122), le grand rayon de l'excentrique a dépassé la position moyenne CM et donné de Vavance au tiroir, c'est-à-dire qu'avant que le piston n'arrive a la fin a de sa course {fig, 124), en un point gf, le tiroir, après avoir
fermé l'échappement par la lumière F {fig, 122), ouvre au contraire par anticipation cette lumière à l'introduction, de manière que la contre-pression gg' soit portée à la pression normale ac quand le piston arrive en a, La course ab commence ainsi sous cette pression normale, qui se maintient, sauf la dépression en e, jusqaà ce que le piston arrive en un point h, où le tiroir, après avoir fermé la lumière F à l'introduction, l'ouvre à l'échappement anticipé. Alors, à partir du point A, la pression hi baisse pour devenir la contre-pression bb' quand le piston arrive en 6.
Pendant que le piston revient de b en a, la contre-pression reste égale à bb' jusqu'à ce que le piston arrive au point g, où le tiroir, après avoir fermé la lumière F à l'échappement, l'ouvre à l'introduction anticipée. La dépense de vapeur est la même que si la course du piston était réduite à ahy moins encore la vapeur qui se trouve dans la partie ga du cylindre, quand le piston arrivé en g, Téchappement se ferme. Cette vapeur est refoulée vers la chaudière avec celle qui s'introduit dans le cylindre pour porter la contre-pression à ac quand le piston arrive en a, et cette vapeur rentre de nouveau dans le cylindre dès que le piston commence sa course ab.
Ainsi la dépense de vapeur, au lieu d'être égale au volume total engendré par le piston, comme cela a lieu quand le tiroir n'a aucune avance, n'est pas même ce qu'elle serait si la course du piston était réduite à ah. Quant au travail effectif développé, il est représenté par Taire a'cih' correspondant à la course ah, plus h'ib', moins a'cg\ Le travail représenté par l'aire h'ib' étant produit par la vapeur qui s'échappe pendant que le pistoji termine le reste hb de sa course, on voit que, eu égard à la dépense de vapeur, il est tout à fait gagné, au lieu que dans le règlement sans avance {^fig. 123), le travail représenté par les triangles a'cf et gdb' était à retrancher.
Il y a bien le travail représenté par a'cg' qui se retranche {fig. 124) ; mais remarquant que ce travail est absorbé par de la vapeur qui est refoulée du cylindre vers la chaudière quand le piston parcourt ga, et que ce travail est reproduit par la même vapeur rentrant dans le cylindre au coup suivant ab, on voit que ce travail ne constitue pas une perte, eu égard à la dépense de vapeur ; il a seulement pour effet d'augmenter un peu les dimensions du cylindre.
Par suite de l'avance à l'admission, le piston éprouvant une contrepression considérable avant d'arriver à la fin de sa course, sa vitesse s'éteint graduellement, et, ce qui esf «urtout important pour les ma-
INDICATEUR DE LA PRESSION. TIROIRS. TUYAUX A VAPEUTl.
Fig.
chines qui marchent vite, on a moins à redouter les chocs sur les fonds du cylindre, et les pressions exagérées sur Tarbre moteur et ses coussinets. L'avance à Fadmission est donc encore très-favorable k la conservation des appareils.
466. Le deuxième artifice mis en pratique dans le règlement du tiroir pour augmenter Veffet de la vapeur (464) consiste dans le recouvrement donné aux barrettes H et H' de la coquille sur les lumières d'adroission E et F {fig, 1S«). La coquille étant placée dans sa position moyenne par rapport aux lumières d'admission E, F, on appelle recouvrement intérieur la quantité dont les barrettes H et H' recouvrent les lumières E, F du côté de l'échappement G, et recouvrement extérieur la quantité dont chaque barrette recouvre sa lumière d'admission a Textérieur.
En augmentant convenablement l'angle AOM de calage de l'excentrique [fig, 122), le piston, marchant dans le sens ba [fig. 125), arrivé
en un certain point g, la barrette H' ferme la lumière F à l'échappement, la vapeur qui est dans la portion ga du cylindre se comprime, et ses pressions sont les ordonnées de la courbe g'd. Le piston arrivé en /, la barrette H' ouvre la lumière F à l'admission anticipée, et la vapeur qui arrive de la chaudière porte la contre-pression le' à la pression ac quand le piston arrive à la fin a de sa course.
Examinons maintenant ce qui a lieu pendant la course ab du piston. Au point de départ a, la pression est égale a ac, et elle conserve cette valeur pendant la marche du piston, sauf la dépression en e due à Taccroissement de vitesse du piston vers le milieu de sa course.
Quand le piston arrive en un certain point k de sa course ab, la barrette H' ferme la lumière F a l'introduction et la vapeur qui occupe la portion ak du cylindre, agissant par détente, se dilate d'après la loi de Mariotte (451), en prenant des pressions qui ont pour valeurs les ordonnées de la courbe /i. Le piston étant arrivé en A, la barrette H' ouvre la lumière F à l'échappement anticipé, et la pression dans le cylindre prend les valeurs des ordonnées de la courbe ib\ de manière à être <*ga\e a la contre-pression bb' quand le piston arrive à la fin 6 de sa
course.
Pour une course de piston, la dépense de vapeur à pleine pression est, dans ce cas, la môme que si la course du piston était réduite à ak, moins encore la vapeur qui se trouve dans la partie ga du cylindre quand, le piston arrivé en g, Téchappement se ferme. Comme dans le cas précédent, cette vapeur est refoulée vers la chaudière avec celle qui s'introduit dans le cylindre, à partir du point /, pour porter la contre-pression à ac quand le piston arrive à l'extrémité a de sa course, et cette vapeur rentre de nouveau dans le cylindre quand le piston commence sa course ab.
TROISIÈMB rUTIB.
Le travail effectif développé pour une course de piston est représenté par J'aJre a!cjh' correspondant à la course ak à pleine preesiOD ; plus celui représenté par l'aire k'fih', produit pendant la détente de la vapeur; plus celai représenté par l'aire A'i6', produit pendant l'échappement anticipé, et moine c£liu représenté par l'aire a'cc'g'-
Dans ce cas, comme dans le précédent, il est ï remarquer que le travail négatif représenté par l'aire a'œ'g' est produit par de la vapeur refoulée vers la chaudière, et que cette vapeur le rendant en rentrant dans le cylindre au coup suivant, il n'oeeasionoe aucune dépense de vapeur; il n'exige, pour une même puissance, qu'une augmentation des dimensions du cylindre.
En comparant la /î^. 125 à celle lg4, on voit que, par l'effet du recouvrement, le travail augmente encore à peu près du travail représenté par l'aire h'fih', produit par la détente de la vapeur pendant le parcours de kh. 11 convient donc de donner simultanément au tiroir de l'avance et du recouvrement.
Pendant assez longtemps on a tait tes barrettes symétriques ; mais anjiiurd'huj on supprime souvent presque entièrement le recouvrement intérieur (^^, J26).
Fij. IM.
Fig. tî7.
ab (Jig. 127) représentant la course totale du piston, examinons ce qui se passe dans le cylindre, en figurant à droite de ab les pressions et contre-pressions fournies par la vapeur sur la lace du piston servie par la lumière F, et à gauche les pressions et contr&f ressions de la vapeur sous l'autre face du piston servie par la lumière E.
On peut toujours faire l'angle décalage AOM {(ig. 122) assez grand pour avoir par la lumière F {fig. 126) une admission anticipée sur une petite étendue ta de la course du piston {fig. 1271-
La barrette H découvrant la lumière E k l'échappement avant que la barrette H' ne découvre la lumière F à l'introduction, l'introduction anticipée la est moindre que l'échappement anticipé Ha sur la face opposée du piston, et Ha est moindre que ga, g étant le point où se trouve le piston quand commence la compression, c'esl-à-dire quand la barrette H' ferme la lumière F à l'échappement.
A partir du commencement a de la course, la barrette H' peut ne
laisser ourerie la lumière F à radmismon qne pendant ane portion assez faillie ak^ i/3 p«r exemple, de la course dn piston. A cause de la grande longueur de la barrette H', la vapeur n'agit que par défente pendant une grande partie kh delà course. Quand le piston arrive en h, la barrette H' ouvre la lumière F à Téchappenient, et celui-ci se produit par anticipation pendant le reste hb delà course.
£ji raisonnant pour la lumière E comme on vient de le faire pour celle F, on obtient la partie gauche de la fig. 127, dans laquelle les mêoiea lettres, narâ majuscules, désignent les mêmes éléments que dans la partie droite.
A cause de la grande détente qu'on peut réaliser k Taide des barrettes longues non symétriques, il en résulte qu'arec cette disposition une m^e quantité de vapeur produit plus de travail.
U y a encore lieu de remarquer que quand les recouvrements intérieur et extérieur sont égaux, dès qu'une barrette H' ferme sa lumière F à radmtssion, l'autre banrette H ferme sa lumière E àréchappement; qu 'alors la compression sur chaque face du piston commence en même temps que la détente sur chaque face opposée; le point G est en k, et celui ^ en K, et le travail, sinon perdn, an moins nuisible, représenté par R'G'G et a'sf'Cr est d'autant plus grand que la détente est plus grande.
Mais si pour les barrettes non symétriques la détente est grande, comme le recouvrement intérieur est moindre que le recouvrement extérieur, chaque barrette H ne ferme sa lumière E a Téchappement qu'un certain temp» après que l'autre barrette R^ a fermé sa lumière F k l'admission; on a alors bG<bkeiaff<aK, et le travail nuisible représenté par B'G'C et a*(/c n'a pas une valeur exagérée.
L'indicateur de Watt étant placé à rextrémité a du cylindre (461), pendant Tailée ab du piston le crayon marque la ligne curviligne cfib\ dontles ordonnées parrapportà ab indiquent les pressions de la vapeur, et pendant le retour 6a le crayon marque la ligne b'g'c'c, dont les ordonnées indiquent les co<ntpe*presftîons sur la même face du piston. Pour un coup de piston le travail moteur développé par la vapeur sur la face dn piston q\ii regarde a est alors* représenté par Tadre g*cfcfW,
fi^ tout était identique pendant le retour ba du piston que pendant l'aUée db^ en doublant l'aire précédente elle représenterait le travail moteur pour l'allée a5 et le retour 6a, c'est-à-dire pour un tour du Tolant.
Si tout n'est pas identique, on recommence Fexpérience en plaçant l'indicatenr à l'extrémité b dn cylindre. On obtient le tracé gauche de la fig. i27, et pour une allée et une venue du piston, le travail moteur développé par la vapeur dans le cylindre est représenté par la somme desairea g'dçfil/ et G'C'CFIA^
4B7. Avantages delà détente par recouvrement {k^t). On emploie beaucoup de dispositions de tiroirs pour opérer la détente de la vapeur (462); mais lorsque la machine fait IM* et surtout 120 à 1^ tours par minute, on est obligé d'avoir un tiroir très-simple, et par suite d^opérer la déteste par la eofiquille même, qui permet d^obtenir le degré voulu de
détente en augmentant le recouvrement extérieur, et à cet effet la longueur de barrettes se fait de 2 à 3 ou 4 fois la longueur des lumières d'admission.
De pluS) avec une même coquille, on augmente ou Ton diminue la détente en augmentant on en diminuant la course du tiroir; résultat qu'on obtient en faisant usage de la coulisse de Stephenson ou de celle de AUan, qui servent en même temps pour opérer les changements de marche.
Il convient de réduire autant que possible les parties pleines qui séparent la lumière d'échappement de celles d'admission, et afin que la lumière d'échappement reste toujours convenablement découverte, on lui donne une certaine longueur.
Avec le simple tiroir à coquille à recouvrement, on peut obtenir les détentes les plus faibles, et jusqu'à celles qui s'élèvent au delà de 1/6. Cela suffît pour les locomobiles, les locomotives, et les machines de bateaux, et comme ces diverses machines marchent k une grande vitesse, on leur applique toujours la simple détente par recouvrement.
Cette détente fonctionne très-bien dans le sens pour lequel elle a été déterminée; mais elle laisse à désirer pour le changement de marche.
On remédie à la difficulté de mise en train d'une machine à détente par recouvrement, au moyen du robinet de mise en train à trois ouvertures, dont l'une reçoit la vapeur de l'enveloppe, et les deux autres la distribuent de part et d'autre du piston.
A cause de V obliquité de la bielle y le manneton de la manivelle parcourt plus d'une demi-circonférence pendant que le piston va et vient sur la moitié de sa course, et moins d'une demi-circonférence pendant que le piston va et vient sur l'autre moitié de sa course. Il en résulte que les espaces correspondants parcourus par le tiroir sont inégaux, et que ses deux barrettes ne doivent pas avoir la même longueur.
L'obliquité de la bielle de l'excentrique augmente encore la complication ; mais comme cette obliquité est très-faible, on néglige en général son effet.
Pour les détentes par entraînement, on peut remédier en partie k l'effet du changement de vitesse du tiroir en ne faisant pas la came symétrique.
468. Avance des tiroirs {i6b). Quel que soit le système de tiroirs, l'avance a l'introduction varie ordinairement de 0",0005 à 0'',0012l, suivant la vitesse de la machine. Pour les machines faisant 'de 60 à 70 tours une avance de 0",0007 à 0",00i0 suffit, et pour celles faisant de 100 à 150 tours on adopte une avance de 0",0010 à 0",0015. Par l'effet du jeu et de la flexion des pièces, cette avance disparaît en partie.
L'avance k l'échappement atteint quelquefois 0",010; elle est d'autant plus grande que les machines détendent moins.
469. La section des lumières d'introduction se prend telle que la vitesse de la vapeur y soit de 30 k 40 mètres par seconde. Ainsi la vitesse du piston étant de 1 mètre, la section de chaque lumière d'introduction varie de 1/30 k 1/40 de celle du piston, et si la vitesse du piston est de 3 mè-
très, par exemple, la section des lumières d*introduction est trois fois plus grande. Pour les locomotives, cette section varie de 1/10 à 1/12 de celle du piston.
Les lumières d'échappement sont à peu près doubles des lumières d'introduction. La vitesse de la vapeur y atteint de 20 à 25 mètres.
Un modèle en fer peut servir à déterminer les positions respectives du tiroir et du piston. La course du tiroir est rendue variable à l'aide d'une coulisse semblable à celles employées sur les locomotives. Le cylindre est représenté par une feuille de papier, sur laquelle un crayon qm participe au mouvement du tiroir marque les relations de courses et indique la grandeur des ouvertures à chaque coup.
470. Aux tuyaux d'arrivée et d'échappem^ de la vapeur on donne une section un peu plus grande qu'aux lumières correspondantes (469).
Aux tuyaux d'arrivée on donnait la même section qu'à la soupape de sûreté; mais comme aujourd'hui on fait produire 2 à 3 fois moins de vapeur à la même surface de chauffe, et que les ordonnances n'ont pas modifié la formule relative aux soupapes de sûreté, on donnerait ainsi aux tuyaux d'arrivée une section 2 a 3 fois trop grande. Une règle pratique qu'on peut admettre consiste à faire prendre à la. vapeur dans le tuyau d'arrivée une vitesse de 15 à 20 mètres par seconde, c'est-à-dire a donner à ce tuyau une section double de la section des lumières d'introduction et égale à celle de la lumière d'échappement. La distance du cylindre a la chaudière peut faire varier cette section. Ces tuyaux doivent être enveloppés de corps mauvais conducteurs de la chaleur.
En Belgique et en Angleterre, les tuyaux a vapeur dont le diamètre est inférieur a 0",06 ou 0",07 se font en fer; au-dessus ils se font en fonte. En France, pour les diamètres de 0",16 au moins, on les fait en tôle rivée, qui donne plus de légèreté et de solidité que la fonte; audessous de 0'",16 de diamètre, ils sont en cuivre.
471. Tiroirs à détente autres que celui à simple coquille. Au liou d'opérer la détente de la vapeur au moyen de soupapes ou d'un siniple tiroir a coquille auquel on donne du recouvrement (462 et suivants), on l'opère aussi a l'aide de deux tiroirs ayant chacun leur boîte à vapeur spéciale, ou encore au moyen de deux tiroirs superposés placés dans la même boîte à vapeur.
Le système de détente au moyen de deux tiroirs ayant chacun leur boîte k vapeur spéciale, qui a disparu aujourd'hui, mais qu'on a vu exclusivement figurer pendant longtemps dans les machines sorties des ateliers de l'habile constructeur Saulnier (de la Monnaie), son inventeur, consiste {^g. 128) en un premier tiroir ordinaire à coquille A fonction-^ nant sans détente, et en un autre B, formé d'une simple plaque, produisant la détente en interrompant au moment convenable l'introduction de la vapeur dans la boîte du premier. Dans cette disposition le tiroir B de détente va et vient deux fois pendant que le tiroir A va et vient une seule fois; car il doit toujours se trouver prêt à ouvrir l'orifice d'entrée dans la boîte du tiroir A, quand ce tiroir est au milieu de sa course. Saulnier obtenait ce résultat en transmettant le mouvement à l'arbre
de l'escentriquc du tiroir B au moyen de deux roues d'engrenage dont Pig. m. Fig. 119. Fîg.ne. le diamètre de l'une était moitié du
diamètre de l'autre, . Si au lieu de fermer l'ouverture d'introduction dans la boite A par une arête extrême de la plaque B (fig. 128), on ménage dan& cette plaque un orifice égal à celui de la boite k IJig. 139), les parties pleines de la plaque B produisent alternativement le même eflet que la plaque pleine, et par suite les deux tiroirs oscillent le même nombre de fois. On supprime ainsi les engrenages; il sufTit simplement de caler le» excentriques sous un angle convenable sur l'arbre de la macbine.
Pour diminuer la course de 1» plaque B, on peut diviser soa ouverture unique en deux ou encore en un plus grand nombre d'orifices
{fia- 130).
La vapeur se détendant dans la boite A comme dans les conduit» allant du tiroir au cylindre {Jig. 128), il en résulte une perte de travail. On évite cette perte en faisant glisser la plaque de détente B sur le dos même de la coquille du tiroir ordinaire ijig. 131), puisqu'alors cette plaque se trouve placée entre la boîte de la coquille A et le cylindre. De plus, on supprime la boite spé- ' ciale à la plaque B.
La plaque de détente B est mise en mouvement par une tige spéciale t'. Les barrettes du tiroir A sont percées de lumières c et e par lesquelles la vapeur qui se rend au cylindre est obligée de passer. En changeant la position relative des excentriques qui commandent les tiges t et t', on change la détente, qui peut être nulle, ou s'opérer sur une portion aussi grande que l'on veut de la course du piston.
On a établi des distributions à détente de ce système dans lesquelles la glissière, au lieu d'être une simple plaque pleine, est percée de deux lumières comme le tiroir principal {Jig. 132).
M. Meyer a eu l'idée de diviser la plaque de détente BB en deux parties que l'on peut, pendant la marche de la machine, rapprocher ou éloigner à volonté pour faire varier la détente (Jig. 133]. A cet efi'et, la tige i' porte deux parties qui sont filetées l'une k droite et l'autre à gauche. Cette tige sort de la boîte à vapeur par deux atuffing-bos, et l'une de ses extrémités porte un petit volant V, li l'aide duquel on la fait tourner pour espacérourapprocher les deux parties de la plaque de détente. La détente attribuée à Edwards consiste en une plaque BB pouvant glisser sur ledosde la coquille ordinaire AA{^;.t3i). La plaqueB accompagne
Fig. 13t.
IMtlCATECn DE LA PRESSION. TIROIRS. TUYAl'X
l« liroir A dans »a course ; mais à un moment donné elle se trouve arrèlt'^e par une came C, et A continuant sa course, la plaque B ferme bientôt l'admission, et la détente commence. On peut changer la position de la came C pendant la marche de la machine, et par suite faire varier la détente.
La plaque de détente B ne pouvant, à cause de l'arrêt, être entrainéi' que de la moitié do sa course dans chaque sens, la détente ne peut être inférieure à 1/2 et même atteindre cetto limite. Tout au plus peut-on détendre au 1/3.
f'-o tiroir ne peut convenir pour les machines de locomotives et de bateaux, où la détente, dans un moment où l'on a besoin de développer une grande puissance, doit pouvoir Être réduite autant que possible el même supprimée; mais il est d'un bon emploi dans les machines de manufactures. H foifctionne bien jusqu'à la litcsse de 80 à ) 00 coups par minute (497).
I.e tiroir de M. Parcot fonctionne il la manière de celui d'Edwards, seulement la plaque de détente est divisée en deux parties indépendantes munies chacune de 3 petites ouvertures {Jîg. 138). On ne peu! détendre qu'à partir de 1/3 de la course du piston, et sans arrêter la machine on peut faire varier la détente à volonté et la porter jusqu'aux plus grandes limites, c'cst'i-diro admettre la vapeur pendant nne portion aussi faible que l'on veut de la course du piston. Une convient pa» de marcher â plus de 100 â tS5 coups par mjnutc.
Il est bon de faire varier cette détente à la main. Cependant M. Farcol la fait varier par le n'tgulateur â boules; mais ce mode do régler la détente peut avoir des inBuences fâcheuses quant à la dépense du combustible (472).
472. Sysléme de détente sous le point de vue de la variatimi. La détente peut être fixe, ou variable à la main, ou encore variable par le régulateur.
980 TROfSfÈME partis:.
Dans une machine à vapeur, le travail moteur doit être le mieux possible maintenu égal au travail- absorbé par les appareils commandés, afin que la vitesse ne varie qu'entre des limites que permettent le travail à exécuter et la solidité de la machine. De plus ce travail doit être produit avec le moins de vapeur ou mieux de combustible passible.
Le travail à' produire étant coastant, si de plus la pression de M vapeur reste la même, les conditions- précédentes de marche et d'écoBOmîe sont réalisées en portant la détente à son maximum (45S() et en Ta rendant fixe.
Dans la pratique, le travail est loin d^être tout a fait constant, et souvent même il est très-variable; de plus la pression est loin aussi de rester constante dans la chaudière. Alors, pour maintenir le régime de la machine, il faut augmenter ou diminuer la pression dans la chaudière en activant ou modérant le feu, ou faire varier la pression dans le cylindre en ouvrant plus ou moins la valve régulatrice, ou bien encore changer la détente. Or on conçoit que dans un cas comme dans Tautre on ne maintient l'équilibre dynamique que par un accroissement de dépense de combustible, puisque la détente cesse d'être à son maidmuni et la combustion d'être bonne.
Un chauffeur actif et intelligent conduit son feu de manière à maintenir sensiblement constante et suffisante la pression dans la chaudière. Mais la variation du travail s'impose d'une manière absolue dans beaucoup de cas, et alors on est obligé de modifier la pression de la vapeur dans le cylindre à l'aide de la valve, ou bien de faire varier la détente.
£n fermant de plus en plus la valve, on réduit autant qu'on veut la pression dans le cylindre, et en l'ouvrant entièrement la pression dans le cylindre devient sensiblement égale à celle de la chaudière, qui est sa valeur maximum. La machine étant réglée à une détente, en augmentant cette détente on diminue le travail comme en fermant la valve, et en la diminuant progressivement on augmente rapidement le travail, qui atteint son maximum quand la détente est nulle. Si l'on n'avait pas à compter avec la pression dans la chaudière, on pourrait donc, en changeant la position de la valve ou en variant la détente, maintenir la machine en équilibre dynamique malgré de très-grandes variations dans le travail.
La manœuvre de la valve s'effectue en général par le régulateur. Quant à la détente, on la change à la main ou par le régulateur. Ce dernier mode paraît le plus rationnel ; mais, comme nous allons le voir, il présente de graves inconvénients dans bien des cas.
Dans l'origine toutes les détentes étaient fixes ; mais c'était un ^and inconvénient pour les locomotives et pour les bateaux, qui peuvent avoir besoin de toute leur force pour gravir les pentes ou passer les courants; ce n'était qu'en activant le feu qu'on augmentait la puissance • Aujourd'hui, sur les locomotives et les bateaux, la détente est rendue variable à la main au moyen de la coulisse de Stephenson ou de celle d'AUan.
Dans les usines où il faut momentanément développer un travail
INDICATECR DE LA PRESSION. T1R<^E«. TUYAUX A VAPEUR. 9%i'
Goosidérable, ctfmn^ dans les foi'^s pour la manœuvre des marteaux et les laminoirs, par exemple, la détente variable à la main peut ôtM trèfr-utile.
La détente variable, peu. admise en Angleterre pour les manufac» tureS) Test au contraire beaucoup en France, et cependant elle présente, quaat à la consommation du combustible, de graves inconvénients, provenant de la négligence du cbauffeur.
La détente étant variable à la main, si le chauffeur laisse tomber la pression, il diminue la détente pour que la machine conserve sa vi-^ tesse, et alors- dépensant beaucoup de- vapeur au moment où il a préd* sèment besoin de relever lapnession, iJ ne peut ramener les choses dans leur état normal qu'avec peine, en activant le feu outre mesure, et par suite en brûlant inutil^nent beaucoup de combustible. Il est k rer» marquer que le chauffeur, comptant sur la variation de la détente pour maintenir la vitesse de la machine, est plus disposé à négliger le feu, et de ce fait peut résulter un grand excès de dépense à la fin de Tannée. Lorsque le régulateur fait varier la détente, les inconvénients que noua venons» de signaler sont encore plus sensibles. Si le travail augmente, la vitesse diminue, et le régulateur rend la détente moins grande; de sorte que c'est au moment où il foiltle plus de vapeur, que celle-ci est le moins bien utilisée. De là excès de dépense de combus* tible pour ramener et maintenir la machine à sa vitesse* normale* Si par suite de négligence de la part du chauffeur la pression baisse dans la chaudière, le régulateur diminue encore la détente, et la dépense de vapeur augmentant, la chaudière est promptement épuisée, si par une consommation exagérée de combustible on ne rétablit pas la pression. Cest également ce qui arrive quand le matin le chauffeur met la machine en marche avant d'avoir chauffé assez longtemps pour amener la chaudière en pression normale.
Le régulateur devrait pouvoir augmenter la détente, mais non la diminuer, c'est-a-dire qu'il ne devrait que pouvoir diminuer la consommation. Il en résulterait une grande économie pour les industriels.
La disposition la plus convenable indiquée par la prudence consiste à garnir Torifice de la boîte à vapeur d'une valve reliée par une tige à un régulateur Larivière (473). Ayant réglé le mieux possible la détente à la main, et enjoint au chauffeur de n'y pas toucher, si la pression ou le travail varie, la valve fonctionne et tend à rétablir l'équilibre. De cette manière on n'a pas à craindre de voir le générateur s*épuiser en un instant comme quand la détente est à la disposition du chauffeur ou variable par le régulateur, et Ton peut remonter la pression sans faire un aussi grand sacrifice de combustible.
475. Hégulateur Larivière. En outre de ce que le pendule conique ne se pr^te pas à de grands écarts de la vitesse normale pour laquelle il a été établi, il possède le grave inconvénient d'osciller par secousses quand la vitesse varie, et par suite de ne ramener cette vitesse k sa valeur normale qu'après une série d'augmentations et de diminutions.
Ces inconvénients ne se rencontrent pas dans les régulateurs à air, et
TROisiÈanî: partie.
en par(iculier dans le régulateur pneumatique de M. Larîvière, qui est très-sensible et convient parfaitement pour agir sur la valve des machines à vapeur. Cet appareil se compose d'un cylindre dans lequel se meut un piston qui lui sert de fermeture inférieurement. On fait le vide dans ce cylindre à Taide d'une petite pompe mue par la machine;' et en même temps on laisse rentrer Pair par un orifice pratiqué sur le côté du cylindre et qu'on peut régler à volonté. La rentrée de l'air étant à peu près uniforme, tandis que l'épuisement augmente avec la vitesse de la niachine, il en résulte que la pression dans le cylindre s'accroît quand la vitesse se ralentit, et qu'alors le piston s'éloigne de la base fixe; la pression diminue au contraire quand la vitesse augmente, et le piston se rapproche de la base fixe. Les variations de vitesse sont ainsi accusées par le mouvement du piston, mouvement qui se transmet à la valve pour augmenter ou diminuer l'orifice d'arrivée ' de la vapeur selon que la vitesse de la machine diminue ou s'accélère.
M. Résal a publiée la théorie du régulateur Larivière dans les Annales des mines ^ t. II, 1872.
474. Épure du règlement d'un tiroir à détente par recouvrement (466. 467). Supposons, comme l'a fait M. Ermel, ancien élève de l'École centrale, dans une*notic(î publiée sur le même sujet, qu'il s'agisse de tracer le tiroir d'une machine à vapeur sans condensation de la force de \% chevaux, dont le piston a 0"',235 de diamètre et 0",300 de course, dont la détente doit être au 1/3, et la pression dans la chaudière de 6 atmosphères.
Adoptant respectivement i/20 et 1/12 de la section du piston pour
Fig. 135.
Fig. 136.
chaque lumière. d'admission et la lumière d'échappement (469), on a {Jig. 136) pour les lumières d'admission E et F, 0'",020 de longueur
sur 0",iOO de largeur, et pour celle d'échappement G, 0",036 de longueur sur 0",iOO de largeur.
Le tracé de la glace II' du cylindre étant ainsi déterminé, d*un centre 0 (fig. 135), pris sur une droite A6, on décrit deux circonférences, dont l'une ACBD représente la circonférence décrite par le manneton de la manivelle, et l'autre LMNP celle décrite par le centre de figure de l'excentrique qui doit commander le tiroir. Il convient de faire le dessin à une grande échelle, afin de pouvoir évaluer aussi exactement que possible ses différentes parties. Pour la machine en question réchelle de 1/3 peut suffire, sauf à la porter à 1/2 si la grandeur des instruments le permet sans flexion ; mais en dessinant la circonférence d'excentrique et le tiroir grandeur naturelle. Ainsi le diamètre AB ou la course du piston serait réduit à 0",100, et celui LN de l'excentrique, qui représente la course du tiroir, serait de 0",080. Pour la fig» 135, k cause de l'espace, nous avons adopté l'échelle de 1/4 pour le tiroir, de i/2 pour l'excentrique, ce qui donne LN = 0"',040, et de 1/10 pour tout Je reste, ce qui réduit la course AB a 0",030.
Cela admis, portant, à Tcchelle adoptée, la longueur de la bielle de la machine de A en a et de B en 6, les points a et 6 représentent les extrémités de la course du piston. L'extrémité h détermine Varrière de la machine, du cylindre ou du piston, et l'extrémité a, tournée vers l'arbre, détermine V avant.
Prenant 62 égal au tiers de la «ourse ah du piston, tiers pendant lequel la vapeur doit être admise à pleine pression à l'arrière du cylindre avant la détente, et 61 égal à l'admission anticipée (468), c'est-a-dire à 0",005 pour le cas qui nous occupe, et jusqu'à 0",010 pour les fortes machines, des positions 1 et 2 du piston comme centre, avec la longueur de la bielle pour rayon, décrivant deux arcs de cercle, on obtient les positions correspondantes 01' et 02' de la manivelle, et 4 '2' est l'arc décrit par le mannelon de la manivelle pendant l'admission de la vapeur à l'arrière dii cylindre, soit l'B pendant l'admission anticipée 16, et B2' pendant l'admission 62 à pleine pression.
Portant la moitié de l'angle l'02' au-dessous et au-dessus de l'axe OL, en LOI'' et en L02", Tangle l'Ol" est V angle a de calage de l'excentrique (464), car a cause de la symétrie par rapport à l'axe OL des positions 01'' et 02" du grand rayon de l'excentrique, si 01" ouvre le tiroir à l'admission quand la manivelle est en 01' et le piston en 1, 02" le îermt quand la manivelle est en 02' et le piston en 2. On a sensiblement 101"= 154«.
Pour éviter la répétition de langage, observons une fois pour toutes que 1 étant une position quelconque du piston, si du point 1 comme centre, avec un rayon égal a la longueur de la bielle, on décrit un arc 4e cercle, il détermine la position correspondante 1' du manneton de la manivelle, et que faisant l'angle l'Ol" égal k l'angle constant a de calage, 01" est la position correspondante du grand rayon de l'excentrique. L'un quelconque des points 1, 1', 1" étant connu, on peut donc déterminer les deux autres. Il y a encore lieu d'observer qu'à cause de
Ma TROISIÈME PARTIE.
la grande longueur relative de la bielle d'excentrique par rapport a la longueur du grand rayon de cet excentrique, on peut pratiquement supposer que cette bielle se moût parallèlemeirt à elle-même, et que par suite le tiroir se meut comme la projection de l'extrémité du grand rsyon de rexcentriqife surLTÏ. Ainsi, pour chaque position du piston, répure donne encore la position correspondante du tiroir, qu'il est alors facile de proportionner convenablement. Mais il faut d'abord avoir une position du tiroir. Or quand l'excentrique est en 1" et la manivelle en 1', le piston se trouvant en 4, où commence l'introduction anticipée de la vapeur dans l'arrière du cylindre, l'arête e de la coquille doit coïncider avec l'arête extérieure de la lumière E, comme l'indique la fig. 136.
■Prenant la position e comme repère, pendant que la manivelle passe de V au point mort B, le piston parcourt, pendant l'admission arïticipée,^ l'espace 16; l'excentrique passe de \" en /, en- décrivant l'angle 1"0? = 4'OB, -et le tiroir a découvert la lumière E d'une quantité ^ô' = w7w. Ainsi quand le piston arrive à l'extrémité h de sa course, la lumière d'introduction est déjà découverte de la quantité sensible e€f^=n7n, de 0",0045 environ. Les quantités dont sont ouvertes les lumières aux points morts sont utiles pour régler le tiroir au montage de la machine.
Quand le grand rayon de l'excentrique est en OL, la lumière E est découverte de la quantité maximum ee" = nL = 0",009 environ. Cette ouverture maximum est faible; mais elle est bien suffisante à cause de l'ouverture anticipée ee'\ en effet, avant la détente, c'est-k-dire pendant le parcours du tiers 62 de la course du piston, la pression delà vapeur conserve sensiblement sa valeur maximum bd.
Avant d'aller plus loin, observons que nous porterons au-dessous ou au-dessus de ah les pressions et contre-pressions fournies par la vapeur respectivement sur la face d'arrière ou la face d'avant du piston. En cela la fig, 135 est conforme à la fig. 127.
Déterminons maintenant quel sera dans l'avant du cylindre le degré de détente résultant de l'angle de calage l'Ol'' qu'on vient d'obtenir. Pour cela, on prend a5 égal à l'admission anticipée 0*,005 dans l'avant du cylindre; on détermine par la position 5 du piston les positions correspondantes 05' et 05" de la manivelle et du grand rayon d^ l'excentrique, et 06", symétrique de 05", étant la position du grand rayon de l'excentrique au moment de la fermeture de la lumière F, déterminant la position correspondante 06' de la manivelle, puis celle 6 du piston, 6 est le point où commence la détente. La vapeur agit ainsi k pleine pression sur la portion a% de la course du piston, et le dessin indique que la détente est à peu près aux 0,28. C'est un peu moins que dans l'arrière du cylindre, où elle est au 1/3; mais la différence est assez faible pour n'avoir pas une iiïfluence sensible sur la régularité de la marche de la machine.
'En augmentant l'admission anticipée a5 on augmente l'admission à pleine pression a6, et par suite la régularité de marche de la machine;
mais comme la vapeur se trouve moins bien utilisée, il vaut mieux r4gulariser la xaarche de la machine eu donnant un peu plus de poids au volant qu'en augmentant a6.
Pendant que le grand rayon de Texcentrique passe de 0^\ qui correspond à la fermeture de la lumière E, à 05'^, qui correspond à l'ouverture de la lumière F, le tiroir recule d'une quantité nr; par suite on doit avoir lU = »r, et la longueur totale U6 de la coquille se trouve déterminée. rN, qui est de O'^OIO environ, est la plus grande ouverture /«" de la lumière F à Tintroduction. Faisant Tangle 5"0y = 5'OA, l'ouverture tu' de la lumière F quand la manivelle est au point mort A est égale à rs^ soit à 0",006.
Pour déterminer les points où doivent commencer Téchappement anticipé et la compression due au recouvrement, il faut d'abord évaluer l'espace libre du cylindre et des lumières d'admission. Supposons que le jeu du piston soit de 0*,005 à 0*.006, et que le volume d'une lumière d'admission, depuis le tiroir jusqu'à son débouché dans le cylindre, soit équivalent au volume d'un cylindre de même base que le piston et d'une hauteur de 0",008 à O'^OIO; soit, en nombre rond, 0",0i5 pour la hauteur 4u cylindre équivalent à l'espace libre du cylindre augmenté du volume d'une lumière d'admission.
Admettant la loi de Mariotte, x étant la distance du point où commence la eompression à l'extrémité de la course du piston, si Ton suppose que la contre-pression i%i n'est amenée à la pression 6 atmosphères que quand le piston arrive à la fin de sa course, on a
(a: + 0,015) : 0,015 = 6 : 1,1, d'où x = ^^^^^^ ^ - 0,015 = 0,067.
En prenant 64=0",067 et faisant pour cette valeur la construction suivante, que nous ferons pour une valeur plus grande, le point 7 serait à gauche du point 4, et 3 à droite de 8, et l'échappement ayant lieu avant que la compression ne commence sur la face opposée du piston, il y aurait communication entre les deux extrémités du cylindre pendant que le piston irait du point 7 au point 4 de l'allée ab, et du point 3 au point 8 du retour ba.
Pour éviter cet inconvénient, il suffit simplement d'augmenter convenablement X = 64. Ainsi, au lieu de ne faire arriver la contre-pression à 6 at»o«^hères que quand le piston est à la fin de sa course, faisonsla moBéer à 6 atmosphères quand le piston a encore à parcourir un espace de 0*^0037, par exemple. Pour cette hypothèse, on a
<ï + 0,«lS): 0,0487 = 6:1,1, d'où x = —{ 0,015 = 0 ,087.
Prenant 64 = 0",087, le point 4 est la position qu'occupe le piston quand la compression commence sur sa face d'arrière. Soient 04' la position correspondante de la manivelle, et 04" celle du grand rayon de l'excentrique. Comme lorsque le grand rayon de Texcenlrique est en 01" le tiroir occupe la position indiquée par l&Jig. 136, de manière
que la barrette H commence à ouvrir la lumière E, et que quand ce grand rayon est en 4" la barrette H commence a fermer cette même lumière E, on doit avoir il = nx, et la longueur te de la barrette H se trouve ainsi déterminée. L'arête i avançant au maximum vers la gauche de u'=*ee'^=nL, le minimum d'ouverture de la lumière G laissé par la barrette II est i'q = O^jOlS environ, ce qui est suffisant.
03", symétrique de 04", indique la position qu'occupe le grand rayon de Texcentrique quand la barrette II commence l'échappement par la lumière E, c'est-à-dire à l'arrière du cylindre, et à cet instant on a 03' pour la position de la manivelle et 3 pour celle du piston.
Sur l'arrière du piston, pendant que celui-ci parcourt une course dans le sens ba, le Iravail développé par la vapeur motrice est alors représenté par l'aire bagfcdb, et sur la même face du piston, mais pendant la course en sens contraire ab, la contre-pression absorbe un travail représenté par abdd'hga; de sorte que le travail moteur développé sur cette face du piston est représenté par ghd'cfg.
Complétons le même tracé pour la face d'avant du piston. Prenons a8 égal à la compression anticipée 0",087, et déterminons la position correspondante 08' de la manivelle, et celle 08" du grand rayon de l'excentrique. L'excentrique, en passant de la position 01" ou de celle 02" à la position 08", faisant reculer le tiroir d'une quantité nz, prenant jv = zriy la longueur uv de l'autre barrette H' se trouve déterminée.
Prenant tv' = uv, la barrette uv occupe la position tv^ quand l'arête u est en t, c'est-à-dire quand la lumière F commence à s'ouvrir.
L'arête v reculant au maximum d'une quantité rî;" = 9îN, le minimum d'ouverture de la lumière G laissé par la barrette H' est îj"o=0'",Oi 1 , ce qui est encore suffisant pour la machine en question.
Soit 07" la position du grand rayon de l'excentrique symétrique de 08". La compression anticipée se faisant dans l'avant du cylindre quand Je grand rayon de l'excentrique est en 08", Téchappement anticipé se fera du même côté quand ce grand rayon sera en 07", c'est-à-dire quand la manivelle sera en 07' et le piston en 7. Quand l'échappement anticipé commence, le piston a donc encore 76 = 0«',076 environ à parcourir pour arriver à la fin de sa course.
Le Iravail développé par la vapeur motrice sur l'avant du piston pendant une course dans le sens ab est représenté par l'aire abg'fc'ha, et celui absorbé par la contre-pression sur la même face du piston, encore pendant une course, mais dans le sens du retour ba, est représenté par Taire abg'h'h'^a. Le travail moteur développé sur l'avant du piston est alors représenté par g'h'^'c'ff-
Nous avons ainsi obtenu les éléments du tableau suivant, nécessaires pour la construction et le réglage du tiroir.
ELEUE^iTS.
Admission anticipio Détente
Compression
Echappement anticipé
Ouverture de la lumière au point mort. . .
Ouverture maxima de lumière
Angle de calage, 4'0r'= i54-.
Coquille. tte=0-,477.i, My=0-,œ»5, i>=0-,0485.
Glace. //•=/é»=0-,02, <7o=0-,036, y9=o/=0'-,0;i.
