LA MACHINE A VAPEUR

Connaissance des anciens sur la force expansive de la vapeur ; éolipyle de Héron d'Alexandrie. — Appareil de Salomon de Caus, pour 1 élévation de l'eau. — Principe et dispositions fondamentales de la machine à vapeur moderno.

Les anciens connaissaient la force élastique de la vapeur d'eau. Sans avoir de notions nettes, précises de ses propriétés physiques — on a vu que les inventeurs modernes n'étaient pas au début beaucoup plus avancés — ils avaient cherché à tirer parti de cette force.

C'est ainsi que Héron d'Alexandrie inventa la machine à laquelle on a donné le nom d' éolipyle et divers appareils où l'action de l'air comprimé ou dilaté était en jeu. On va voir, en effet, que le mou-

vement de Téolipyle avait bien pour cause la force expansive de la vapeur, mais agissant d'une tout autre façon que dans les modernes machines à vapeur.

C'était une marmite ou chaudière en partie pleine d'eau, placée sur un foyer et fermée par un couvercle. Sur celui-ci, un tube creux et recourbé,

Fig. 18. — Éolipyle de Héron. (120 av. J.-C.)

muni d'un robinet, allait soutenir, en la pénétrant, une sphère creuse métallique, qu'un autre montant égal soutenait extérieurement à l'extrémité du même diamètre. La sphère était donc mobile autour de ce diamètre ou axe.

Deux autres tubes creux et recourbés partaient de la surface de la sphère aux extrémités d'un diamètre perpendiculaire à Taxe. Ceci posé, on va comprendre l'action motrice de la vapeur dans ce petit appareil. On ouvre le robinet ; la vapeur monte de la chaudière dans le tube creux et em-

plil la sphère métallique. Si celle-ci n'était percée d'aucune ouverture, elle resterait immobile, mais la vapeur qui tend à presser la surface intérieure de la sphère avec la même force en tous ses points, trouvant deux issues, s'échappe avec bruit en se condensant dans l'air ; la réaction, qui lui aurait fait équilibre au cas de la fermeture complète, s'exerce donc en sens contraire, et la sphère tourne avec plus ou moins de rapidité dans un sens opposé à celui de la sortie de la vapeur.

L'éolipyle (nom qui signiRe porte d'É oie ou porte de Vair) est, comme on voit, une machine où la force élastique de la vapeur agit par réaction. Ce n'a jamais été d'ailleurs qu'un jeu de physique amusante, bien qu'il ait fixé l'attention des savants et des expérimentateurs des siècles qui ont précédé Papin, et qu'on l'ait décrit en proposant de l'utiliser pour faire marcher des tournebroches.

L'appareil décrit par Salomon de Caus, dans son opuscule : les Raisons des forces mouvantes (1605), est un exemple d'une application plus directe de la force expansive de la vapeur. De l'eau est introduite par le robinet D dans la sphère creuse A, qu'on place sur le feu, après avoir fermé le robinet d'introduction. Un tube BG passe par une autre ouverture B et descend dans l'eau sans toucher le fond. Quand lavapeur s'est formée en assez grande quantité et que sa tension est assez forte, on ouvre le robinet B et l'eau, pressée à sa surface intérieure par la force élastique de la vapeur, est projetée au dehors par le tube.

Le récit complet et détaillé de toutes ces tentatives, de ces ébauches mécaniques où Ton cher-

chait à utiliser diverses forces naturelles, celles de l'air dilaté ou comprimé, et celle de la vapeur, a un intérêt qui n'est point douteux pour rhistoire des progrès des applications delà science humaine. Mais tout cela ne devient sérieusement instructif qu'à l'époque où la physique, sortant de la phase des explications subtiles et infécondes, est entrée

Fig. 19. — Appareil de Salomon de Caus

dans la voie de Texpérience, sous l'impulsion des Galilée, des Boyle, des Huyghens.

La machine à vapeur ne pouvait naître, et surtout ne pouvait recevoir les perfectionnements qui en firent un véritable moteur industriel, que dans le siècle qui avait vu découvrir les propriétés de Tair, la machine pneumatique, le baromètre et le thermomètre*

C'est en se pénétrant bien de la réalité de ces rapports intimes qui unissent toujours les conquêtes de la science et celles de l'industrie, qu'on se fera une idée juste de l'importance de la grande révolution qu'inaugura la découverte de la machine à vapeur de Papin. La meilleure preuve de la nécessité de ce concours de la théorie et de la pratique, c'est le temps qui s'écoula entre les essais et la publication des ouvrages de Papin, entre la première réalisation de son idée par Savery et Newcomen, et l'invention des machines à double effet par Watt, les premières machines à vapeur dont l'application à l'industrie fut véritablement universelle.

Maintenant encore, après tant de progrès dans la science et de perfectionnements dans l'art de la construction des machines^ on ne peut.espérer d'amélioration ou de transformation sérieuse qu'en prenant pour point de départ et pour guides les lois qui régissent les phénomènes calorifiques et auxquelles la machine à vapeur emprunte le principe de son mouvement.

Voyons donc, le plus sommairement et le plus clairement possible, quel est ce principe, et du môme coup disons de quels organes essentiels la machine â vapeur est composée.

D'abord et avant tout, il faut songer à développer* la force, c'est-à-dire à produire et à recueillir une certaine quantité de vapeur d'eau. C'est à quoi on parvient en faisant chauffer sur un foyer une marmite ou chaudière remplie d'eau, du moins en partie.

C'est le générateur de vapeur, Tune des trois parties essentielles ou constitutives de la machine. Nous verrons bientôt lesilétails de sa structure, les conditions de solidité et de résistance qu'elle doit offrir, sa capacité, sa forme, etc., tous les éléments qui sont susceptibles de lui faire produire en toute sécurité et avec économie la vapeur, cause du mouvement.

De la chaudière la vapeur passe dans une capa-

Fig. 30. — Organes essentiels de la machine à yapear moderne.

cité de forme cylindrique partagée en deux par un piston mobile : c'est là que, par des dispositions dont la description sera donnée incessamment, la vapeur agit, tantôt d'un côté, tantôt de l'autre du piston, de manière à lui imprimer un mouvement alternatif, ou de va-et-vient, mouvement qui est l'objet direct de la machine- Le cylindre, le piston et les pièces accessoires qui distribuent la vapeur dans les deux chambres du cylindre constituent la partie de la machine formant le mécanisme moteur : c'est la machine

proprement dite, dont le jeu ne serait d'ailleurs pas bien compris, si je n'entrais encore dans quelques détails.

Considérons la figure 20, qui représente la machine à vapeur réduite à ses organes essentiels. C'est le générateur, où Teau se transforme en vapeur en remplissant Tespace situé au-dessous de l'eau dans la chaudière, ainsi que le tuyau W. Ce tuyau conduit le gaz élastique dans une capacité B contiguë au cylindre, et qu'on nomme la boîte à vapeur.

Deux robinets RR permettent à la vapeur, quand l'un ou l'autre est ouvert, d'arriver soit à la chambre supérieure B, soit à la chambre inférieure A du cylindre. Supposons d'abord le robinet supérieur ouvert et l'autre fermé. La vapeur passe en B, où elle presse le piston et tend à lui imprimer un mouvement descendant dans le cylindre. Qu'on ferme alors le robinet supérieur et qu'on ouvre l'autre, la vapeur passera en A, où elle agira sur le piston par sa face inférieure et tendra à le faire remonter.

Mais là se présente une difficulté : si la vapeur se trouvait à la fois en A et en B, comme sa force élastique est la mênie des deux côtés, son action sur la face inférieure du piston compenserait exactement son action sur la face supérieure, et le mouvement ne serait pas produit.

Il fallait donc trouver le moyen d'annuler sa force élastique dès qu'elle a pu exercer son action, et cela alternativement dans les deux chambres du cylindre. On y parvient en ouvrant successivement les robinets R'R'; chacun d'eux est adapté

LA TAPëUA. 6

dans une ouverture par où la vapeur est mise en communication avec un espace vide d'air, qui contient de l'eau froide, et dont les parois sont ellesmêmes à une basse température. Cet espace n'est pas figuré dans notre dessin. Dès que le fluide pénètre dans cet espace qu'on nomme le condenseur^ elle se précipite à l'état liquide presque tout entière, et ce qui en reste n'a plus qu'une tension très-faible, de beaucoup inférieure à la tension que possède la vapeur soit dans la chaudière, soit dans le cylindre. Cette disposition est nécessaire dans les machines où la vapeur n'agit qu'avec une tension peu supérieure à la pression atmosphérique. Quand la vapeur a une tension égale à plusieurs atmosphères, le condenseur n'est plus indispensable : la condensation se fait à l'air libre.

Il est aisé alors de voir que, dans chacun de ces cas, la difficulté signalée se trouve vaincue; car imaginons le robinet supérieur R ouvert et l'inférieur fermé, tandis que le robinet supérieur R' est fermé et l'inférieur ouvert. La vapeur afflue en B, où elle exerce son action; celle que renfermait A se condense et le vide se fait sous le piston qui descend jusqu'au bas du cylindre.

A ce moment, le jeu des robinets est renversé. La vapeur de la chaudière pénètre en A ; celle de B se condense et le piston est soulevé de bas en haut. Ainsi, indéfiniment.

Yoilà donc, dans son principe et ses dispositions fondamentales, la machine à vapeur moderne. Un mouvement rectiligne alternatif, déterminé par l'action de la force élastique de la vapeur dans un cylindre fermé de toutes parts, action qui cesse

brusquement dès que la même vapeur s'est condensée par le refroidissement. Le mouvement obtenu, il ne s'agit plus que de lui faire produire un effet utile, en le transformant de mille manières selon les besoins dé l'industrie, selon l'espèce d'application qu'on en veut faire, en lui demandant par exemple tantôt de la puissance, tantôt de la vitesse, tantôt la vitesse et la puissance réunies. Le mécanisme qui opère cette transformation est le troisième élément que nous aurons à étudier pour compléter la description de la machine à vapeur, de sorte que l'on peut résumer ainsi tout l'objet de la partie technique de ce livre :

Le générateur ou la chaudière ;

Le récepteur ou mécanisme moteur et le mécanisme

de distribution; Le mécanisme de transmission.

Ces préliminaires suffisent pour comprendre la différence que je signalais au début de ce chapitre entre les éolipyles ou autres appareils dans lesquels on utilisait d'une certaine manière la force élastique de la vapeur, et le véritable moteur qui a révolutionné l'industrie moderne : dans celui-ci seulement, on utilise directement la double propriété que possède la vapeur d'eau, la force avec laquelle elle presse les parois du vase qui la renferme, et la brusque condensation, l'annulation de cette force quand la vapeur se trouve subitement mise en comnuinication avec un vase vide d'air et rempli d'eau froide.

A la vérité, les premières machines à vapeur, celles qu'avaient conçues d'abord Papin, celles

que construisirent ses successeurs n'étaient point aussi complètes que la machine dont nous venons d'étudier le principe. La force élastique de la vapeur n'était utilisée que comme contre-poids de la pression de l'atmosphère sur le piston. C'est le vide déterminé par la condensation de la vapeur qui, dans la période descendante, rendait prépondérante la pression extérieure et permettait à celle-ci de donner de haut en bas le mouvement du piston. C'était là l'action directement utile qu'on se- proposait d'obtenir pour faire mouvoir les pompes d'épuisement des mines. En un mot, la vapeur n'était employée que comme un moyen de produire le vide : elle agissait indirectement comme moteur. Le génie de Watt la transforma en moteur universel.

Mais nous reviendrons plus tard sur ces distinctions importantes.

Il est temps d'aborder en détail la machine à vapeur, telle que l'a faite un siècle d'incessants progrès dus aux sciences physiques et à l'art des constructions mécaniques.

Métamorphose des rayons solaires : la force tîtc, emmagasinée dans les Tégétaux de Tépoque houillère, se dégage aujourd'hui d'un bloc de charbon en combustion ; elle est Tâme de la machine à Tapeur. — Description d'une chaudière à bouilleurs. — Chaudière et bouilleurs. — Le foyer, les carneaux, la cheminée. — Épaisseur des parois du corps cylindrique.

Une marmite en fonte, bien close, remplie d'eau aux trois quarts et bouillant au-dessus d'un feu ardent, voilà en deux lignes la définition de l'appareil producteur de vapeur, qu'on nomme tout simplement la chaudière.

Si la chaudière n'est point la partie la plus originale, la plus curieuse d'une machine à vapeur, du moins est-ce la plus importante, celle qui peut-être exige le plus de science dans les devis et la construction, le plus de soins et de surveillance dans le fonctionnement et dans l'entretien. N'est-ce pas dans son sein d'ailleurs que s'élabore la force motrice, la puissance élastique de la vapeur, dont la source première est cachée dans cette masse noirâtre qu'on appelle un morceau de charbon?

Cette houille, en effet, que craignent de toucher des mains délicates, c'est la substance, lentement distillée au fond des couches souterraines de Técorce du globe, des végétations qui en couvraient la surface il y a quelque dix mille années. Cette substance fut jadis arbre splendide, au tronc brillant, au feuillage magnifique tissé par la lumière, car la science aujourd'hui nous apprend que c'est sous l'influence vivifiante, féconde, des rayons du soleil que les plantes décomposent l'acide carbonique de l'air, laissent s'échapper l'oxygène et fixent le carbone dont leur tissu est en partie formé. Ainsi se sont emmagasinés des trésors de force dans les entrailles du globe; revenues au jour, le travail de l'homme transforme de nouveau ces forces cachées, en tire la chaleur et la lumière, et, faisant subir à ce mode de mouvement une dernière transformation, il en communique les vibrations à Teau. Celle-ci, devenue vapeur, va précipiter à son tour ses atomes contre les parois mobiles de l'enceinte où elle est emprisonnée; à partir de cet instant, le mouvement et le travail auront succédé à la lumière ou à la chaleur jadis empruntées elles-mêmes à la source commune, au soleil.

Rien de plus simple à définir que la chaudière, ou le générateur de vapeur : nous l'avons vu. Mais autre chose est de la définir, autre chose est de la décrire, c'est-à-dire d'en dessiner à l'esprit les dispositions d'ensemble et les détails, sous les formes compliquées et variées que la chaudière a prises depuis l'origine et qu'elle conserve encore

dans les divers types de machines à vapeur en usage aujourd'hui.

Ces formes sont si nombreuses que je ne chercherai pas même à les énumérer toutes : ^1 sera bien suffisant, pour le but que je me propose, de faire comprendre en quoi se resseniblent et en quoi diffèrent les systèmes principaux. Mais avant d'en ardvejr jà, faut-U en^^jqrç^ conna^^re d'une façon précise un exemplaire de l'un d'entre eux. Je prendrai la chaudière la plus gépéralemenl adoptée dans les usines où Ton emploie des machines construites, installées à demeure, là même où elles ipnctionnent.

Entrons, si vous voulez bien, dans ^ne grande usine, et de préférçnçe dans celle d'un, constructeur de machines. Là, nous verrons fonctionner la machine elle-même; nous examinerons Ja chaudière en activité. Puis, pour la disséquer, pour étudier toqs les organes de l'appareil, nous les verrons isolément au moment où ils sortent de l'atelier de fabrication.

Nous voici devant le grand bâti en paçonnerie sous lequel est renfermé le corps principe de la chaudière. A l'extérieur, vous voyez deux plaques circulaires qui dépassent le niveau du mur et indiquent la place des bouilleurs. Immédiatement au-dessous se trouve la porte du foyer, par où s'introduit le combustible, puis plus bas l'ouverture du cendrier, par laquelle on enlève les scories, escarbilles, etc., que laisse échapper la grille.

Pour procéder avec plus de clarté dans notre examen, distinguons tout de suite dans notre

chaudière deux parties bien distinctes : le fourneau et la cheminée d'une part, c'est-à-dire le foyer, la grille, lé cendrier, les conduits des gaz de la combustion; et, d'autre part, la chaudière

Fig. 21. — Chaudière à deux bouilleurs d'une machine à Tapeur. Vue extérieure.

proprement dite, ou le vase dans lequel Tébullition réduit Teau en vapeur, avec tous ses organes et appareils accessoires, indicateurs, soupapes de sûreté, manomètres, etc.

Mais avant de décrire en détail chacune de ces

deux parties dç l'appareil producteur de vapeur, faisons voir comment ils sont agencés l'un par • rapport à l'autre.

A la partie supérieure du bâti 'de maçonnerie repose un grand vase en tôle, de forme cylindrique dans toute sa longueur, terminé aux deux

Fig. 22. — Chaudière à deux bouilleurs, coupe transversale.

bouts par deux fonds hémisphériques. C'est le corps de la chaudière la plus volumineuse, celle qui contient la plus grande masse de l'eau à vaporiser. Les figures 22 et 23 la mon'rent en CGC, en coupe longitudinale et en coupe ransversale. Au-dessous du corps principal, oh voit deux, quelquefois trois longs tubes égalea^nt cylin-

driques, BB, qui communiquent avec lui par des tubulures nommées évents ou culottes.

Ces bouilleurs, entièrement remplis d'eau, sont directement placés au-dessus du foyer, dont les flammes lèchent d'abord leur surface extérieure, et c'est évidemment dans leur sein que Tébullition a lieu tout d'abord ou que se forment les premières bulles de vapeur. Leur nom de bouilleurs est donc bien justifié.

Les deux figure^ ci-joirites indiquent avec assez de clarté les positions et les dimensions du foyer, de la grille, du cendrier, pour que je n'aie pas besoin d'en parler autrement.

Quant à la cheminéCjj on la voit à sa base et Ton peut suivre la fumée et les gaz de la combustion, depuis leur origine, au-dessus du foyer, jusqu'à cette base, à travers les conduits ou carneaux ce, qui se trouvent ménagés entre les bouilleurs, le corps principal de la chaudière et la maçonnerie qui les enveloppe.

Il faut remarquer la dispositioni. de ces carneaux: celui qui est au-dessous des bouilleurs force la flamme et les gaz chauds à marcher jusqu'au fond du fourneau et à échauffer directement d'abord les bouilleurs eux-mêmes. Arrivés là, les gaz montent à l'un des deux carneaux latéraux supérieurs; ils cèdent encore de la chaleur qu'ils ont conservée à la paroi de la chaudière avec laquelle ils sont en contact. Enfin, un troisième trajet les fait passer dans l'autre carneau latéral pour s'échapper dans la cheminée.

Le but qu'on se propose d'atteindre de la sorte est aisé à comprendre. Il s'agit d'utiliser, autant

que possible, la chaleur qui émane du foyer, soit par le contact et l'action directe de la flamme, soit par celle des gaz de la combustion, lesquels, n'étant plus incandescents, n'en conservent pas moins une énorme quantité de chaleur. Or cette chaleur serait dépensée en pure perte, si, en sortant du foyer, les gaz avaient la liberté de gagner immédiatement l'atmosphère.

C'est une préoccupation du même genre qui a fait imaginer les bouilleurs. Les anciennes et primitives chaudières étaient hémisphériques à leur partie inférieure ; elles ne présentaient qu'une faible surface à l'action du foyer, eu égard à la masse de l'eau qu'il fallait vaporiser : elles n'avaientqu'une faible surface de chauffe. Augmenter la surface de chauffe des chaudières a été l'un des premiers progrès auquel les constructeurs de machines (Watt le premier) ont dû songer. C'était tout simplement économiser le combustible, problème dont la solution, après bien des recherches heureuses, bien des progrès réalisés, est encore le desideratmn des industries qui emploient la vapeur.

J'insiste sur cette question capitale.

On peut la formuler en ces termes : produire la plus grande quantité de vapeur, à une pression ou tension déterminée, en usant la moindre quantité possible de combustible. Tous les organes d'une machine concourent à ce but, à peu d'exceptions près ; on conçoit que la chaudière, qui est le générateur de la vapeur, ait par sa forme, ses dimensions relatives , les dispositions de son fourneau, de sa cheminée, etc., une influence prépondérante.

Il semble, d'après ce que nous venons de dire, que si, les gaz de la combustion pouvaient, en arrivant à la base de la cheminée, être refroidis à une température égale à celle de Tair extérieur, par exemple, il y aurait tout bénéfice, puisque la chaleur du foyer ou du combustible serait à peu de chose près entièrement utilisée. Mais cela n'est pas possible malheureusement ; ou plutôt, si Ton obtenait ce résultat, le tirage ou le renouvellement de Tair nécessaire à Tentretien de la combustion cesserait; du moins, serait-il considérablement ralenti. La houille brûlant mal, la chaleur du foyer n'étant plus suffisamment intense, les gaz d'hydrogène proto et hi-carhonéSy qui se dégagent en grande abondance du combustible, ne pourraient eux-mêmes brûler complètement. Ce sont eux qui forment la fumée épaisse et noire qu'on voit sortir si intense, toutes les fois qu'une quantité un peu considérable de combustible frais est introduite dans le foyer qu'elle refroidit.

Les gaz chauds, en s'échappant dans la cheminée, servent donc à activer le tirage ; c'est une dépense , nécessaire dans une certaine limite, bien qu'elle n'ait pas pour résultat direct l'échaufTement de l'eau, sa transformation en vapeur. C'est ainsi que, souvent dans la pratique industrielle, une innovation qui semble un progrès, quand on l'envisage sous une face, est un recul, considérée sous un autre point de vue.

C'est le moment de dire un mot de la cheminée, qui joue un si grand rôle dans le tirage. Plus la cheminée d'une chaudière est haute , la section restant la même ainsi que les autres conditions delà

combustion, plus le tirage est actif : pas dans la proportion ordinaire toutefois, il s'en faut ; ainsi , voudrait-on obtenir un tirage d'intensité double^ il faudrait quadrupler la hauteur delà cheminée; triple, il faudrait la multiplier par 9.

En un mot, la hauteur croît comme les carrés* de l'intensité du tirage.

Si le tirage dépend de la hauteur de la cheminée, il dépend aussi du volume d'air dont celle-ci permet le passage , c'est-àdire de la surface de sa section. D'à»

près une règle donnée par Darcet, si la hauteur de la cheminée est 20 mètres, ou 30 mètres, la section devra a-

VOir autant de fois Pig. 24. — cheminée de machine à Tapeur;

Tue extérieure et coupe.