APERÇU HISTORIQ^JE SUR LA MACHINE A VAPEUR

Machines à vapeur de Savery.

Machine de Savery, pour TéléYation des eaux. -^ Description de la machine à vapeur atmosphérique de Newcomen, — Condensation par injection d'eau froide. — Le jeune Henri Potter. — Emploi des machines atmosphériques pour l'épuisement des mines.

Les premières machines à vapeur réellement appliquées dans Tindustrie furent celles de Savery (1696-1698). Le principe en avait été donné par Papin, puisque, comme le dit Arago : « Papin est le premier qui ait songé à combiner, dans une môme machine à feu, l'action de la force élastique de la vapeur, avec la propriété dont cette vapeur jouit et qu'il a signalée, de se condenser par refroidissement. ?> Le dessin de la machine élévatoire de Savery, que reproduit la figure 67 dans ses dispositions essentielles, montre que cet ingénieur produisait la vapeur dans un vase séparé B (c'est

la chaudière). Le fluide remplissait d'abord le vase S et le tuyau A, dont il chassait l'air. Fermant alors le robinet C, et ouvrant le robinet e d'un réservoir plein d'eau froide, il produisait la conden-

Fig. 67. — Machine à vapeur de Savery (1696).

sation de la vapeur du vase S, le vide se faisait, et Teau du réservoir R montait et remplissait en partie le vase et le tuyau. Un jet de vapeur, venant alors de la chaudière et pressant sur la surface du liquide, le forçait à s'élever à une hauteur qui dé-

pendait de la pression. Puis survenait une condensation nouvelle, une nouvelle action de la vapeur, et ainsi indéfiniment.

« Pour élever Teau à la petite hauteur de 65 mètres (200 pieds), par exemple, Savery était forcé, dit Arago, de porter la vapeur de sa chaudière à six atmosphères ; de là des dérangements continuels dans les joints ; de là aussi la fonte des mastics et même de dangereuses explosions. Aussr, malgré le titre de son ouvrage (rAmi du mineur^ Miner' s Friend)^ les machines de cet ingénieur ne servirent point utilement dans les mines. Elles ne furent employées que pour distribuer Teau dans les diverses parties des palais ou des maisons de plaisance, dans des parcs ou dans des jardins, partout,' en un mot, où la différence de niveau à franchir ne surpassait pas une quarantaine de pieds. »

La machine de Savery, comme on voit, utilisait la force élastique de la vapeur pour refouler l'eau directement, et la condensation de celte vapeur pour produire le vide et Tascension de Teau sous l'action de la pression atmosphérique. C'était une sorte de pompe aspirante et foulante où l'action de la vapeur jouait le rôle de la force musculaire appliquée, au jeu du piston dans le cylindre de ces appareils hydrauliques. Elle n'est point comparable à la machine à vapeur moderne, telle que nous la connaissons.

Quatorze ou quinze années après la première tentative de Papm, l'ingénieur anglais Savery s'associa à deux de ses compatriotes, Thomas Newcomen et JohnCawley, tous deux vi vaut dans la ville

de Darmouth en Devonshire, où ils exerçaient, le premier, la profession de forgeron ou de quincaillier, le second Tétat de vitrier. De cette association naquit la machine à vapeur connue sous le nom de machine de Newcomen ou de machine atmosphérique.

Disons rapidement quel est, dans cette machine, le mode d'action de la vapeur.

La chaudière fournit de la vapeur à une pression un peu supérieure à la pression atmosphérique. Au moment de la mise en train, le piston étant à la partie supérieure du cylindre, la vapeur remplit ce dernier, en chasse Tair par un orifice V auquel on donne le nom de renifïard. Alors, on ouvre le robinet du tuyau LO, et de Teau froide, injectée dans le cylindre, y condense la vapeur*; le robinet fermé, la pression extérieure agit sur le piston et le fait descendre au bas du cylindre.

A ce moment, un tiroir débouche la communication du cylindre avec la chaudière, de sorte que la vapeur, en dessous, et la pression atmosphérique au-dessus du piston, se font équilibre. Le piston resterait donc dans cette situation, si un contre-poids I, lié au balancier de la machine, ne le forçait à remonter à la partie supérieure du cylindre. Une nouvelle condensation le fait redescendre, et ainsi de suite : le mouvement de va-etvient est produit.

On voit maintenant la raison de la dénomination de machine atmosphérique donnée à la machine de

1. Dans la figure^ le dessinateur devait terminer au fond inférieur du cylindre Porifîce du tuyau qui projette l'eau de condensalion. Tel qu'il est représenté, il générait le jeu du piston.

Newcomen : c'est la pression de Tair extérieur qui est le moteur ; la vapeur n'intervient que pour lui faire équilibre pendant l'ascension du piston. Pen-

Fig. 68. — Machine à vapeur atmosphérique de Newcomen (1705).

dant la descente, la condensation de la vapeur produit le vide, et c'est encore la pression (Je l'air qui fait descendre le piston.

C'est la machine de Papin, mais modifiée, amé-

liorée, au point d'être devenue pratique. Comme dans la première machine de Savery, la chaudière est séparée du récepteur ou du cylindre : c'est là un perfectionnement sur la machine de Papin ; rintroduction du cylindre est un autre progrès sur la machine de Savery. La condensation, au lieu d'être produite par le refroidissement qui suivait Téloignement du foyer, Test par injection d'eau froide dans la capacité du cylindre. Dans les premiers essais, la condensation se faisait extérieurement par injection d'eau froide sur les parois du cylindre, et c'est un heureux hasard qui mit les trois associés sur la voie de Tamélioration nouvelle. Voici comment la chose arriva; nous citons encore Arago :

a Au commencement du dix-huitième siècle, l'art de construire de grands corps de pompe parfaitement cylindriques, l'art d'ajuster dans leur intérieur des pistons mobiles qui les fermassent hermétiquement, étaient très-peu avancés. Aussi dans la machine de 1705, pour empêcher la vapeur de s'échapper par les interstices compris entre la surface du cylindre et les bords du piston, ce piston était-il constamment couvert à sa surface supérieure d'une couche d'eau qui pénétrait dans tous les vides et les remplissait*. Un jour qu'une machine de cette espèce marchait sous les yeux des constructeurs, ils virent, avec une extrême surprise, le piston descendre plusieurs fois de suite, beaucoup plus rapidement que de coutume. Cette vitesse leur parut d'autant plus étrange, que le

1. La figure 68 montre la disposition qui amène l'eau à la surface supérieure du piston.

refroidissement produit par le courant d'eau froide qui descendait extérieurement le long de la surface du corps de pompe n'avait amené jusque-là la condensation de la vapeur intérieure qu-'assez lentement. Après vérification, il fut constaté que, ce jour-là, c'était d'une tout autre manière que le phénomène s'opérait : le piston se trouvant accidentellement percé d'un petit trou, l'eau froide qui le recouvrait tombait dans Vintérièur même du cylindre^ par gouttelettes^ à travers la vapeur^ la refroidissait et dès lors la condensait plus rapidement. »

Ce n'est pas la seule fois que le hasard a été le collaborateur des inventeurs, dans le domaine des sciences appliquées, ce qui, par parenthèse, ne diminue point le mérite de l'invention. Il ne suffit pas d'être témoin d'un fait ; il faut encore savoir l'observer, c'est-à-dire en tirer les conséquences convenables. Citons encore, d'après Arago, un 'exemple de cette collaboration, où le hasard d'ailleurs n'a plus qu'une part assez faible, car il n'a guère été que l'excitateur de la découverte.

« La première machine de Newcomen exigeait Tattention la plus soutenue de la part de la personne qui fermait ou ouvrait sans cesse certains robinets, soit pour introduire la vapeur aqueuse dans le cylindre, soit pour y jeter la pluie froide destinée à le condenser. Il arrive, dans un certain moment, que cette personne est le jeune Henri Potter. Les camarades de cet enfant, alors en récréation, font entendre des cris de joie qui le mettent au supplice. Il brûle d'aller les rejoindre, mais le travail qu'on lui a confié ne permettrait pas

même une demi-minute d'absence. Sa tête s'exalte; la passion lui donne du génie ; il découvre des relations dont jusque-là il ne s'était pas douté. Des deux robinets, Tun doit être ouvert au moment où le balancier que Newcomen introduisit le premier et si utilement dans ses machines a terminé l'oscillation descendante, et il faut le fermer, tout juste, à la fin de l'oscillation opposée. La manœuvre du second est précisément le contraire. Ainsi les positions du balancier et celles des robinets sont dans une dépendance nécessaire. Potter s'empare de cette remarque. Il reconnaît que le balancier peut servir à imprimer aux autres pièces tous les mouvements c^ue le jeu de la machine exige et réalise à l'instant sa conception. Les extrémités de plusieurs cordons vont s'attacher aux manivelles des robinets; les extrémités opposées, Potter les lie à des points convenablement choisis sur le balancier; les tractions que celui-ci engendre sur certains cordons en montant, les tractions qu'il produit sur les autres en descendant, remplacent les efforts de la main ; pour la première fois, la machine à vapeur marche d'elle-même ; pour la première fois, on ne voit auprès d'elle d'autre ouvrier que le chauffeur, qui, de temps en temps, va raviver et entretenir le feu sous la chaudière. »

Les machines atmosphériques étaient surtout employées comme machines d'épuisement de l'eau des mines. Elles ont été également appliquées à la distribution des eaux dans la ville de Londres. Malgré les immenses perfectionnements apportés pendant un siècle et demi aux moteurs qui ont la

vapeur pour agent, il paraît que les machines de Newcomen étaient encore il y a quelque temps et sont peut-être aujourd'hui encore employées dans les lieux où la houille coûte peu de chose*.

La machine à vapeur, sauf quelques perfectionnements de détail, resta ce que l'avaient faite Newcomen, Saveryet Cawley, jusqu'en 1769. Soixantequatre ans s'écoulèrent donc ainsi, infructueusement pour ainsi dire, jusqu'à ce que le génie de Watt, secondé par les progrès rapides des sciences physiques dans ce demi- siècle, en fit le puissant moteur, l'incomparable engin dont nous avons donné la description en choisissant précisément pour type la machine à balancier qui porte encore aujourd'hui le nom de Watt.

Watt et la machine à vapeur.

Invention de la machine à double eifet. — Transformation de la machine à épuisement en moteur universel. — Le condenseur. — Le régulateur à force centrifuge. — Immense économie de combustible résultant de Tinvention du condenseur. — Emploi de la détente.

J'ai signalé à peu près complètement, au fur et à mesure de cette description, les inventions du grand ingénieur et mécanicien anglais. Mais il ne m'était pas possible, sans risquer d'allonger outre mesure et par suite d'obscurcir le récit, d'insister sur l'importance de chacune d'elles. C'est le moment de combler cette lacune : j'y procéderai en

1. Cesl ce que constatait Arago en 1837, et il ajoutait que danp les lieux dont il s'agit. « on n'a point trouvé de profit à les remplacer. » Les dépenses beaucoup moins fortes de premier établissement et d'entretien compensant en effet, avec le bon marché du combustible , la consommation plus considérable de ce dernier.

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suivant l'ordre chronologique, et ainsi peu à peu se complétera l'histoire môme de la machine à vapeur.

Et d'abord, on vient de voir que les machines de Newcomen étaient de simples pompes, d'excellents engins à la vérité pour épuiser l'eau des mines, mais non pas de vrais moteurs universels, capables de fournir pour les besoins d'une usine quelconque un mouvement régulier et constant. La raison en est simple. La pression de l'atmosphère qui agit pour produire le mouvement descendant du piston est la vraie force motrice de ces machines, qui n'ont aucune puissance effective pendant la course ascendante ; c'est tout ce qu'il fallait pour le jeu des pompes qu'elles faisaient mouvoir; c'eût été un grave inconvénient pour une machine motrice qui ne doit avoir aucune intermittence d'action.

Les machines atmosphériques étaient donc des machines à simple effet. Watt les transforma d'abord en machines à double effet. 11 supprima l'action de l'atmosphère et lui substitua dans les deux phases du mouvement l'action de la vapeur. Le cylindre, ouvert par en haut, fut remplacé par le cylindre fermé à ses deux bouts, divisé par le piston en deux capacités distinctes où la vapeur pénètre alternativement, et où elle est alternativement condensée.

Ainsi fut créée la vraie machine à vapeur, celle où le fluide élastique est le véritable moteur, cause unique du mouvement. Les oscillations du pistou communiquent alors au balancier des oscillations d'égale force, d'égale amplitude. En un mot, avec le double effets la machine à vapeur devint un moteur universel, applicable à toutes les industrieSi

D'ailleurs, Watt, en universalisant remploi de la machine à vapeur, ouvrait par cela même la porte aux perfectionnements. Lui-même consacra toutes ses forces, toute son intelligence à cette tâche si ardue à Torigine. Par l'invention dngouve)'neur (c'est le nom anglais, governor, du régulateur à force centrifuge), il réduisit encore les inégalités

Fig. 69. — James Watt, d'après le médaillon de David (d'Angers).

du mouvement. « L'efficacité du régulateur est telle, dit Arago dans sa Notice biographique sur Watt, qu'on voyait, il y a peu d'années, à Manchester, dans la filature de coton d'un mécanicien de grand talent, M. Lee, une pendule mise en action par la machine à vapeur de l'établissement, et qui marchait sans trop de désavantage à côté d'une pendule ordinaire à ressort. Le régulateur

de Watt et un emploi bien entendu des volants, voilà le secret, le secret véritable de l'étonnant perfectionnement des produits industriels de notre époque, voilà ce qui donne aujourd'hui à la machine à vapeur une marche totalement exempte de saccades ; voilà pourquoi elle peut, avec le môme succès, broder des mousselines et forger des ancres ; tisser les étoffes les plus délicates et communiquer un mouvement rapide aux pesantes meules d'un moulin à farine. Ceci explique encore comme Watt avait dit, sans craindre le reproche d'exagération , que « pour éviter les allées et les venues ,des domestiques, il se ferait apporter les tisanes, en cas de maladie, par des engins dépendant de la machine à vapeur. »

L'invention du condenseur séparé des pompes qui y sont adjointes fut d'une importance capitale, principalement au point de vue de l'économie. A égalité d'effet, elle réduisit au quart la dépense de combustible des machines de Newcomen. On peut ^e rendre compte de la valeur des économies réalisées dès le début dans les pays de mines où les machines d'épuisement fonctionnaient, et, depuis, dans toutes les usines où la vapeur est employée, à basse et à moyenne pression, par le fait suivant, que les historiens de la vapeur ont souvent cité. Trois pompes étaient en activité dans la mine de Chace-Water, dont les propriétaires payaient à Watt et à son associé Bollon une redevance pour le droit de se servir du condenseur. Cette redevance avait été fixée au tiers de la valeur de la houille économisée. Or les propriétaires de la mine jugèrent avantageux de racheter ces droits

par le payement annuel d*une somme de 60,000 francs. Ainsi, radjonction d'un condenseur de Watt produisait ipar an, pour chacune des machines, une économie de combustible supérieure à 60,000 francs, plus de 180,000 francs pour les trois machines de la mine en question.

L'emploi de la détente que Watt avait signalé, mais qui n'a été adopté sur une large échelle que depuis l'invention faite par Woolflf des machines à deux cylindres, a accru encore l'économie de vapeur, et, par suite, l'économie de combustible, ce desideratum poursuivi par tous ceux qui travaillent à perfectionner la machine à vapeur. A l'origine, on ne connaissait que la détente fixe; aujourd'hui, des mécanismes nouveaux permettent de faire varier la détente.

Pour être juste, il ne faut pas, dans l'histoire des perfectionnements de la machine à vapeur, se borner à citer le nom de Watt. C'est Keane Fitzgerald (1758) qui s'est le premier servi du volant pour régulariser le mouvement de rotation ; l'emploi des bielles et manivelles pour transformer en mouvement de rotation le mouvement rectiligne et oscillatoire de la tige du piston est dû à Washbroug (1778). Enfin, Murray (1801) est l'inventeur du tiroir manœuvré par un excentrique; Du reste, en décrivant les machines à vapeur marines, les locomotives et les locomobiles, je tîompléterai, autant que possible, cette courte histoire des progrès de la vapeur.