MACHINES A VAPEUR

L’action de la vapeur, dansda plupart des machines en activité, consiste à presser alternativement sur les faces du piston pour lui donner une impulsion rectiligne de va et vient , soit verticale ou horizontale, qui se transforme, dans les machines à balancier comme dans celles à directrice , en un mouvement circulaire continu de l’axe principal de l’établissement.

On a fait des essais et on tente encore à faire agir la Tapeur sur un piston doué d’un mouvement circulaire , ou de manière à produire la rotation du cylindre ; cette communication directe, qui supprimerait toute transmission intermédiaire , constitue la classe des machines dites rotatives.

Toutes les machines à vapeur employées sont à double effet (excepté celles destinées aux travaux d’épuisement des mines qui sont à simple effet, c’est-à-dire dans lesquelles la vapeur n’agit que sur une des faces du piston pour le soulever) ; on peut les classer dans l’ordre suivant : ' • : . ■' * 11

1° Machines de Watt à basse pression, à condensation, sans détente, à un seul cylindre; • •!-

2° Machines de Woolf à moyenne pression, avec condensation et détente, à 2 cylindres;

3* Machines à haute pression, avec détente, mais sans condensation, à un seul cylindre;

4“ Machines à haute pression, sans détente ni condensation, à un seul cylindre.

Machines à basse pression. L’emploi de ces machines est dû principalement à la régularité de leur marche , et à la facilité de leur entretien. Elles sont surtout employées dans les localités où l’on peut avoir de l’eau en assez grande quantité ; car la vapeur, à la sortie du cylindre, est mise en contact avec une certaine quantité d’eau froide , pour obtenir un mélange liquide qui ne possède qu’une température de 40 degrés environ. Cette transformation de la vapeur que l’on appelle condensation, est importante, comme on le verra plus loin, pour faciliter la marche de la machine. La consommation de ces machines est moyennement, par force de cheval et par heure, de 5 à G k , et elles exigent, pendant le même temps et pour la même force , une dépense d’eau d’environ 0 m e 940 , pour la condensation et la production de vapeur. La vapeur est généralement produite dans la chaudière à une température de 105°; sa tension est alors de l alm 18, et équivaut à l k 20 par cent. quarré.La .. faible pression de la vapeur dans la chaudière rend plus , . jjares les chances d’explosion ; ce système est généra- lement employé dans les bateaux à vapeur. H y a même des machines de bateaux dites à sous-basse pression , c’e8t-*è*.dire où la vapeur possède une température audessous de 100". : .4

Machines à moyenne pression de Woolf. Ces machines sont à deux cylindres de différents diamètres , mais d’égale hauteur; la vapeur agit avec toute la tension de la chaudière dans le plus petit cylindre ; puis elle passe dans le grand cylindre où elle occupe un volume plus grand sans changer de température : c’est ce que l'on appelle détente de la vapeur. La consommation en combustible est de 2 k 5à3 k 5 moyennement par heure et par force de cheval , cl la dépense d’eau est, pendant le même temps et par cheval , de 0 mf 300 ou 300 litres environ. L’avantage que ces machines présentent sur celles de Watt consiste dans le peu de combustible qu’elles nécessitent ; mais ces machines ont une tendance, par leur construction compliquée, à se déranger souvent , et à exiger par suite bien des soins.

Machines à haute pression à détente dans un seul cylindre et sans condensation. Dans ces machines qui sont généralement employées dans les ateliers et filatures , la vapeur n’agit en plein que pendant une partie de la course du piston ; elle se détend pendant l’autre partie de la course. Elles ne dépensent que l’eau nécessaire à la consommation de vapeur, et la vapeur, en sortant du cylindre, se répand dans l’air. Leur consommation en combustible est moyennement de \ à 5 kilog. par force de cheval et par heure.

Machines à haute pression sans détente ni condensation. Ces machines se distinguent par la simplicité de leur construction ei le peu de place qu’elles nécessitent : elles sont principalement en usage pour les locomotives ; car elles ne nécessitent pour le transport que la

quantité d’eau nécessaire à l’alimentation ; leur consommation en combustible est de 7 à 8 kilogr. par heure ot par force de cheval, à cause de la haute température à laquelle ces machines travaillent ; la vapeur à la sortie des cylindres se répand dans l’air atmosphérique, ce qui produit, en sens contraire de la puissance de la vapeur , une résistance de 1 atmosphère. Ainsi, quand on estime 6 atmosphères de tension dans le cylindre, il ne faut compter que sur 5 atmosphères comme puissance réelle.

Condensation de la vapeur .

La vapeur se condense quand on la met en contact avec de l’eau froide. Dans cette transformation , l’eau s’échauffe sensiblement aux dépens de la vapeur , et le mélange liquide prend une température moyenne.

Dans les machines à condensation, la vapeur, à la sortie du cylindre, est mise en contact avec une certaine quantité d’eau, et forme un mélange qui conserve une température de 40 degrés centigrades environ. Par cet abaissement de la température de la vapeur à la sortie du cylindre, le piston éprouve en sens contraire de sa marche une résistance bien moindre que lorsque la vapeur se rend immédiatement dans l’air ; car, au lieu d’une atmosphère de pression ou l k 033 par centimètre quarré qu’il faudrait retrancher de la pression de la vapeur sur le piston, ce n’est plus qu’une résistance de 0 k 15 environ par centimètre quarré.

Étant donnés 1° le poids de la vapeur à condenser,

2° sa température, 3° la température de l’eau froide, 4° la température que doit avoir le mélange condensé, on détermine la quantité d’eau nécessaire à la condensation par la règle suivante :

Multipliez le poids de la vapeur par le nombre 550, auquel a été ajoutée la différence entre la température de la vapeur et celle du mélange, divisez ce produit par la différence entre la température du mélange et celle de l’eau; le quotient donne le poids d’eau à employer.

Exemple : Le poids de vapeur=!5 k., sa température =150°, la température de l’eau froide=12°, le mélange doit avoir une température de 40°, quel est le poids de l’eau nécessaire à la condensation désignée?

353 kil °- 55.

Calculs relatifs à l'effet ütile et aux principales dimensions des machines à vapeur.

Le travail d’une machine à vapeur, comme celui de tout moteur, se mesure par la pression qu’elle exerce sur le piston , multipliant l’espace parcouru ou la vitesse du piston par seconde.

Ainsi , dans une machine à vapeur, il faut chercher la pression réelle exercée par la vapeur sur toute la surface du piston , et la multiplier par la vitesse du piston ; le produit exprimera le travail théorique de la machine. Et comme en pratique, une machine en très-bon état d’entretien ne rend moyennement que 0,50 àO 55 , de l’effet moteur, le produit théorique devra être multiplié par le

coefficient 0,50 pour les machines au-dessous de 1S chevaux, et par 0,55 pour les machines plus fortes; le quotient de ce produit divisé par 75 exprimera la force en chevaux.

Exemple : Quel est l’effet utile d’une machine à vapeur à basse pression dans les conditions suivantes :

La vapeur est à la tension de 105°, ce qui, d’après le tableau, correspond à une pression égale à l k 218 par centimètre quarré.

Le diamètre du piston = 35 centimètres, la course du piston est O^â, il bat 31 coups doubles par minute;

0“09 y 9 v qi

Sa vitesse par seconde égaie alors à — — w o ra 95.

La surface du piston=0,785x(35 2 )=960 cent, quarrés.

La tension de la vapeur sur chaque centimètre quarré — l k 218, mais il faut retrancher de cette pression la résistance que la vapeur condensée à la sortie du cylindre oppose à la marche du piston ; or la résistance que présente le mélange condensé à 40 degrés est de 0 k 15 par centimètre quarré ; la pression effective de la vapeur n’est donc que l k 218 - 0,15 = l k 068 par centimètre quarré; et sur toute la surface du piston, la pression effective de la vapeur est de 960 x 1,068 = 1025 k 28. Cette pression, multipliée par la vitesse du piston, donne 1025 k 28 x 0 m 95 = 974 k "> pour travail théorique de la vapeur, et 974 k "> x 0,50 = 487 k *" d’effet utile ; puis

— = 6 ch - va P 49, force effective de la machine en che-

vaux-vapeur.

TABLE N des diamètres et des vitesses des pistons dans les machines à basse pression et à condensation ,

Surface du piston par cheval, - • en centimètres quarrés.

Pression effective sur te piston par centimètre quarré.

JJj

sis

cent.

kilog.

cent.

mètres.

met. c.

KOI

KfJ|

■ il

Cette table permet de déterminer au premier coup d’œil le diamètre à donner au piston d’une machine à

vapeur à basse pression , quand on connaît la force en chevaux ; elle fait remarquer aussi que la vitesse du piston est, pour les machines au-dessous de douze chevaux, de moins d’un mètre par seconde, et que cette vitesse dépasse 1 mètre pour les machines plus fortes. La vitesse moyenne de régime de tous les systèmes de machines à vapeur est généralement de 1 mètre par seconde. Les dépenses de vapeur ont été calculées dans cette table en multipliant la surface totale du piston par sa vitesse dans une minute.

Si l’on avait à déterminer le diamètre d’une machine à basse pression , de 55 chevaux de force par exemple, qui ne se trouve pas dans. la table, on examinerait dans la troisième colonne le nombre moyen qui représente la surface du piston par cheval entre 50 et 60; ce nombre est 131;. on multiplierait 131 par le nombre de chevaux 55, ce qui donnerait 7205 centimètres quarrés pour la surface totale du piston ; puis on diviserait 7205 par 0,7854, dont le quotient 9173 ct i6 exprimerait le quarré du diamètre, et 1/ 9173,6 ou 96 c 4 indiquerait le diamètre extérieur du piston ou le diamètre intérieur du cylindre à vapeur.

1 Épaisseur des cylindres à vapeur. Règle : Multipliez le quadruple de la force élastique de la vapeur en kilog. sur 1 centimètre circulaire par le diamètre exprimé ea centimètres, et divisez par 420; puis multipliez ce résultat par le diamètre, et divisez par le diamètre moins 5,5, ensuite ajoutez 1 centimètre pour l’usure. (Tredgoîd).

1" exemple : Quelle est l’épaisseur à donner à an cylindre en fonte de 50 centimètres de diamètre, la teu-

sion de la vapeur à basse pression étant de l k 218 par centimètre quarré ou 1*218 x 0,785 = 0*95 par centimètre circulaire?

puis 0,50 + 1 = l c 5, épaisseur du cylindre.

2 e exemple: Quelle serait l’épaisseur du môme cylindre en supposant que la tension de la valeur soit de 5*165 par centimètre quarré ou 5,165 x 0,785 = 4*05 par centimètre circulaire?

von —1,9- et

420 “ Cl 50 — 5,5 = 1

puis 2 C 15 + 1 = 3 C 15, épaisseur du cylindre en fonte.

L’action de la vapeur sur le piston se transmet par la tige de ce dernier à l’extrémité d’un balancier qui, pivotantàson centre, selieparl’extrémité opposée à la partie supérieure d’une longue tringle ou bielle; la partie inférieure de celle-ci vient se fixer à une manivelle montée sur l’arbre principal; cette transmission a pour objet de convertir le mouvement rectiligne alternatif du piston en un mouvement circulaire ou rotatif de l’arbre principal de l’usine.

Tiges des pistons à vapeur. Règle : Multipliez la surface du piston en centimètres quarrés par la pression de la vapeur en kilog. sur chaque centimètre quarré, divisez le produit par 100; la racine quarrée du quotient exprimera le diamètre de la tige en fer forgé du pistou.

Exemple : Quel est le diamètre à donner à la tige en fer forgé d’un piston à vapeur dont le cylindre a 40 centimètres de diamètre, la tension de la vapeur dans le cylindre étant de quatre atmosphères ou 4 k 132 par centimètre quarré?

La surface du piston ou 1256 c< i64 x — = 51 c ^92 et

t / 51,92 = 7 C 2 pour diamètre de la tige en fer forgé.

Quand on fait en acier les tiges de piston, leur diamètre ne doit être que les 0,6 du diamètre en fer forgé.

Ainsi, dans les conditions précédentes, la tige en acier du piston porterait un diamètre de 7,2 x 0,6 = 4 C 3 ou 43 millimètres.

Course des pistons. La course d’un piston à vapeur est déterminée par le double du rayon de la manivelle ou par le diamètre de la manivelle. Suivant la force de la machine, la longueur de la manivelle de centre en centre est donnée par la cinquième colonne de la tableN, il suffit de diviser la course par 2 ; ainsi le rayon d’une mani-

velle de soixante-dix chevaux serait — — - ou 121 c 9.

Balancier. D’après Tredgold, la distance des articulations extrêmes du balancier égale 3 rois 08 la course du piston. La hauteur verticale au milieu du balancier est égale au diamètre du cylindre à vapeur multiplié par 0,86 quand le balancier est en fonte, et son épaisseur

est égale au — de cette hauteur.

En appliquant ces données à un balancier d’une machine à basse pression de soixante-dix chevaux , la distance des centres des articulations extrêmes porterait

3,08 x 121 c 9=3 m 75. Le diamètre du cylindre à vapeur étant, d’après la table, de 107 c 3, la hauteur verticale au milieu du balancier aurait 107 c 3 x 0,86 = 92 c 2, et son 92 2

épaisseur porterait = 5 C 7 oü 57 millimètres.

Bielle. Sa longueur est généralement comprise entre cinq et six fois celle de la manivelle; sa section transversale au milieu est le 1/28 de celle du piston à vapeur, et sa section aux extrémités est environ le 1/35 de celle du piston.

Pompe de puits , Pompe alimentaire , Pompe à air. On distingue dans une machine à vapeur à condensation trois espèces de pompes : 1° la pompe de puits ou à eau froide, qui aspire l’eau d’un puisard pour la déverser dans la bûche du condenseur ; 2° la pompe alimentaire, qui puise l’eau de condensation dans une bûche en communication avec le condenseur, pour remplacer dans la chaudière celle qui est convertie en vapeur ; 3° la pompe à air ou condenseur, qui enlève à chaque coup de piston le mélange de vapeur et d’êau. Ces trois pompes ont leurs tiges fixées au balancier.

Pompe à air ou condenseur. La course du piston de la pompe à air dans les machines à vapeur à basse pression et à double effet est ordinairement égale à la moitié de la course du piston à vapeur ; à cet effet , sa tige se lie à articulation au milieu du demi-balancier. Le diamètre du piston est égal aux 2/3 du diamètre du cylindre à vapeur ; par suite, la surface du piston est moitié de celle du cylindre. Comme le piston de cette pompe n’épuise qu’en montant, le volume qu’il engendre est le 1/8 ou au moins le 1/9 du volume engendré par un coup double

du piston à vapeur. La section du passage de la soupape

de communication entre le condenseur et cette pompe

à air est égale au 1/4 de la surface de son piston, et par suite au 1/9 de celle du piston à vapeur. Enfin la quantité d’eau froide à injecter, quand cette eau est à 12° et que le mélange de vapeur et d’eau est à 40° comme d’ordinaire, est égale à 24 fois le poids de vapeur dépensée par le cylindre. Cette quantité d’eau varie toutefois suivant la température du mélange.

Pompe à eau froide. Cette pompe, qui amène l’eau du puits dans la bâche du condenseur, doit avoir un volume égal au 1/24 ou au t/18 de celui du cylindre à vapeur; sa course est moitié de celle du cylindre à vapeur.

Pompe alimenluire. Cette pompe, qui prend une partie de l’eau condensée pour alimenter la chaudière à vapeur, doit avoir une capacité égale à la 1/230 ou 1/240 partie au moins du cylindre à vapeur.

MACHINES A nAUTE PUESSION SANS DÉTENTE NI CONDENSATION

Dans ces machines , où la vapeur se rend dans l’air à la sortie du cylindre, il y a une atmosphère perdue pour équilibrer la résistance de l’air, et on calcule l’effet utile de ces machines par la règle suivante :

Multipliez la surface en centimètres quarrés du piston, par la pression sur 1 centimètre quarré déterminée par le nombre d’atmosphères moins 1 de la vapeur, et par la vitesse du piston dans une seconde ; divisez ce produit par 75, vous aurez la force théorique de la machiue en chevaux; puis multipliez ce résultat par 0,45 ou 0,50,

selon qu’il s’agit d’une machine au-dessous de douze chevaux ou au-dessus, vous aurez l’effet utile ou réel de la machine.

Exemple: Quel est, par le calcul, l’effet utile d’une machine à vapeur à haute pression sans détente ni condensation, dont le piston a un diamètre de 50 centimètres, avec une vitesse 'de l-iô, la pression de la vapeur étant à 5 atmosphères dans le cylindre , c’est-à-dire produisant une pression effective de 4 atmosphères ou 4 k 132 par centimètre quarré du piston?

= 78,38 chev. vap.

Lorsque l’on veut établir une machine à vapeur d’un système et d’une force déterminés, le premier problème à résoudre consiste à chercher les dimensions du cylyindré; et si la vitesse du piston est donnée, il ne reste plus qu’à trouver le diamètre ; on détermine le diamètre des cylindres ou pistons des machines à haute pression sans détente ni condensation par la règle suivante : Effectuez le produit de la force en chevaux par 75, et divisez par le coefficient 0,39, multipliant la vitesse du piston et la pression due au nombre d’atmosphères moins 1 ; la racine quarrée du quotient exprimera le diamètre intérieur du cylindre à vapeur.

Exemple : Quel est le diamètre à donner à une machine à vapeur pour produire une force de 78 ch va P-38, avec une vitesse de piston égale à l m 45, et une pression de 5 atmosphères?

= 50 centim.

La même règle est applicable pour déterminer le diamètre du piston des machines à vapeur à haute pression et à condensation; seulement, au lieu de retrancher une atmosphère, il ne faut retrancher de la pression totale que la résistance due à la condensatiou , et que l’on estime égale à 0 k 15 au lieu de l k 033 lorsque la vapeur se rend dans l’air.

TABLE O des diamètres et vitesses des pistons des machines à vapeur à haute pression sans détente ni condensation à différentes pressions.

Nombre de coups doubles du piston, par minute.

Diamètre des pistons pour des pressions de vapeur dans le cylindre, de .

atmosphères.

mètres.

centimètres.

Kfl

On peut observer d’après cette table, qui peut servir de guide pour les diamètres à donner aux pistons des machines à vapeur à haute pression suivant la force en chevaux, que ces diamètres sont en raison inverse de la pression de la vapeur ; ainsi pour une machine de 12 chevaux , marchant à 4 atmosphères , le diamètre du piston est de 30 centimètres; ce diamètre descend à 26 cent, pour une pression de 5 atmosphères dans le cylindre , et n’est plus qu’à 23 centimètres lorsque la pression est de 6 atmosphères.

Ces machines à haute pression et à pleine vapeur sont peu employées en industrie, parce qu’elles consomment une grande quantité de charbon , qui e st une dépense de chaque jour , mais elles sont spécialement employées pour locomotion, en raison de leur simplicité et du peu de volume qu’elles nécessitent. Dans ces machines à pleine pression , le diamètre du tuyau d’arrivée de vapeur est le 1/3 ou le 1/4 du diamètre du piston, et l’ouverture des lumières que recouvre le tiroir pour l’introduction au-dessus et au-dessous du piston a une section égale au 1/10 ou 1/12 de la surface du piston; les dimensions de ces ouvertures rectangulaires sont dans le rapport de 1:4.

La lumière commune d’échappement présente une section double pour le libre dégagement de la vapeur.

Calculs de l'effet utile des machines à détente à deux ou à un seul cylindre.

Les machines à vapeur les plus répandues dans l’in-

dustrie sont celles à moyenne pression de Woolf à détente et à condensation, et celles à haute pression à détente et sans condensation.

Les machines à détente de Woolf sont à deux cylindres, la vapeur est introduite d’abord dans le petit cylindre , d’où elle passe dans le grand cylindre; la vapeur, en passant d’un petit espace dans un plus grand sans changer de température, est dite se détendre, et sa pression décroît proportionnellement à l’espace occupé par la vapeur. L’addition d’un second «cylindre présentant une plus grande complication de pièces, on a adopté de préférence pour la détente un seul cylindre, dans lequel la vapeur n'est introduite à pleine pression que pendant une partie de la course du piston ; dès lors un mécanisme particulier ferme le robinet d’introduction de vapeur, et celle qui a été introduite dans le cylindre fait parcourir au piston le restant de sa course.

Quand la vapeur n’est introduite que pendant 1/5, 1/4, 1/3, 1/2 de la course du piston, elle occupe un volume 5 fois, 4 fois, 3 et 2 fois plus grand , et la détente est dite au 1/5, au 1/4, au 1/3 et à 1/2 ou moitié. Souvent les machines sont munies d’un mécanisme qui permet , de varier cette détente suivant le plus ou moins de force dont on veut disposer , elles sont appelées alors machines à détente variable.

L’application de la détente est une question d’économie de combustible , puisqu’on ne dépense de vapeur à chaque coup simple du piston que le 1/5, le 1/4, le 1/3 ou la moitié du cylindre; seulement, il ne faut pas pousser cette détente trop loin , car on risque d’avoir un

moteur très-irrégulier , irrégularité que l’on est obligé de compenser par des volants de grande énergie.

Le calcul relatif à l’effet utile des machines à détente avec ou sans condensation peut être fait de deux manières :

Dans la première on se base sur le principe de la loi deMariotte, c’est-à-dire que les volumes occupés par une même quantité de vapeur sont en raison inverse de la pression.

Exemple : Supposons une machine à vapeur à détente sans condensation dans les conditions suivantes : Le diamètre du cylindre égale 0”30, la course du piston = 0 m 72, le nombre de coups doubles par minute est de 40. La pression de la vapeur en arrivant dans le cylindre est de 5 atmosphères, elle n’agit en pleine pression que pendant le premier quart de la course, et la détente a lieu pendant les 3/4 de la course du piston.

Le calcul de la puissance de la machine pendant le premier quart de la course du piston, se calcule comme pour les machines à haute pression.

Ainsi le diamètre du piston étant de 30 centimètres , sa surface sera de 0,785 x 30 x 30 = 706 e a 5 : la machine étant sans condensation , il ne faut compter que sur 4 atmosphères au lieu de 5 à cause de la résistance de l’air en sens inverse du piston , et la pression effective sur toute la surface du piston est de 4*1 32 x 706 e 1 5 = 2919 k 26.

Comme cette pression de la vapeur a lieu sur le piston

pendant 1/4 de la course — = 18 centimètres , le tra-

vail théorique de la vapeur est , pour le premier quart de la course du piston, égal à 2919 k 26 x 0“18 ou à 465 k In 46.

Divisant le reste de la course 0"72 — 0“18 ou 0-54 en un nombre pair de parties égales, en 4 par exemple , la

course d’une division à l’autre sera

en observant que l’on obtient la pression de la vapeur détendue en multipliant la pression primitive par le rapport entre le volume primitif et le nouveau volume, on peut former le tableau suivant des espaces parcourus par le piston et des pressions correspondantes aux divers points de divisions :

Positions du piston aux points ; (voir fig. 114.)

Course* 0 m i0 0 ra 315 0 m 450

0 ro 585

Pressions correspondantes

P ou 2919 k P P