SECONDE PARTIE

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

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 à'éolipyle et divers appareils où l'action de l'air comprimé ou di-

place sur le feu, après avoir fermé le robinet d'introduciion. Un lube BC passe par une autre ouverture B et descend dans l'eau sans toucher le fond. Quand la vapeur s'est formée en assez grande quantité el que sa tension est assez forte, on ouvre

le robinet B el 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 Ion cherchait à utiliser diverses forces naturelles, celles de l'air dilaté ou comprimé, et celte de h vapeur.

a un intérêt qui n'est point douteux pour Thistoire des progrès des applications de la science humaine. Mais tout cela ne devient sérieusement instructif qu'à Tépoque où la physique, sortant de la phase des explications subtiles et infécondes, est entrée dans la voie de Texpérience, sous l'impulsion des Galilée, des Boyle, des Huygens.

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 l'air, 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'imporlance 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 Kewcomen, 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

^J» Uk VAPECIL

la Ss^-îenttV el de perTivlioiineuieiits dans Tart de la cottsiractioo de$ machinos^ oa ne peut espérer d'amélioration ou de transfomiation sérieuse qu'en prenant pour point de départ et pour guides les lois qui régissent !e$ pht'noniènes calorifiques et auxquelles la machine à vaj eur emprunte le principe de son mouvement.

Voyons donc, le plus sommairement et le plus clairement possible, quel est ce principe, et du même coup disons de quels organes essentiels la machine à 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 dVau. C'est à quoi on parvient en faisant chauffer sur un foyer une marmite ou chaudière remplie d>au, du moins en partie.

Cest le généruteiir de vapein\ Tune des trois parties essentielles ou couslitutives de la machine. ^'ous verrons bienlùt les détails de sa structure, les conditions de solidité et de résistance qu*el!e doit offrir, sa capacité, sa forme, etc., tous les éléments qui sont susceptibles de lui faire p i-oduire en toute sécurilé et avec économie la vapeur, cause du mouvement.

De la chaudière la va[cur passe dans une capacité de forme cylindrique partagée en deux par un

I,A SIACIUSE A VAPEUR. 91

piston mobile : c'est là que, par des dispositions dont la description sei'a 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 el les pièces accessoires qui distribuent la vapeur dans les deux chambres du cylindic constituent la partie de la machine formant le mécanisme moteur : c'est la machine propremeril 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. .

02 LA YAPEL'R.

C est le générateur, où l'eau se traasforme en vapeur en remplissant l'espace situé au-dessous de l'eau dans la chaudière, ainsi que le tuyau VV. Ce tuyau conduit le gaz élastique dans une capacité It contiguë au cylindre, et qu'on nomme la boîte à vapeur.

Deux robinets RR permettent à la \apeur, 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'aulre 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 agii-a sur le piston par sa face inférieure et tendra à le faire remonter.

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

11 fallait donc trouver le moyen d'annuler sa force élastique dés 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 dans.

«une ouverture par où la vapeur est mise en communication avec un espace vide d'air, qui contient •de Teau froide, et dont les parois sont elles-mêmes 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, «t ce qui en reste n'a plus qu'une tetision trèsfaible, 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 oisé 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 Tinférieur 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, e jeu des robinets est renversé. La vapeur de la chaudière pénètre en A ; celle de B

9t LA VAPEUR.

se condense et le piston est soulevé de bas en haut. Ainsi, indéfiniment.

Voilà 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 de Tindustrie, selon l'espèce d'application qu'on en veut faire, en lui demandant par exemple tantôt do 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 aijisi 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 sejrouve subitement mise en communication 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'épuisemenl 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.

lA CHAUDIÈRE OU LE GÉNÉRATEUR DE VAPEUR

Métamorphose des rayons solaires : la force vive, emmagasinée dans les végétaux de l'époque houillère, se dégage aujourd'hui d'un bloc de charbon en combustion; elle est l'âme de la machine à vapeur. — 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 peutêtre exige le plus de science dans les devis et la construction, le plus desoins 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

I son niveau, c'ost roffaire d'une pompe qui eni-

c prunle son mouvement au mouvement même de la

Y machine, el que nous aurons l'occasion de revoir

' en examinant le mécanisme de distrihulion. H y a

( d'autres pompes ayant d'aulres usayes : celle-ci

est la pompe d'alimentation.

Mais comment s'assurer qu'elle fonctionne bien"? Il est d'une imporlance capilale que le niveau de l'eau ne s'ahaisse point Irop dans la chaudière, ni qu'il s'y élève au delà d'une cerlaine limite : dans les deux cas on risque une des plus fréquentes causes d'explosion des machines. De là les appareils connus sous le nom générique ^'indicateurs du niveau et qui mérilent bien celui d'n/jparei/s de sftreié. On en emploie de plusieurs sortes et môme simultanément.

Ainsi, vous voyez toujours adapté aux parois extérieures de la chaudière et Lien en vue, un tube en verre de cristal qui communique par ses deux bouts avec l'intérieur de la chaudière. L'eau pénétre dans ce tube el y atteint, en vertu de la loi d'équilibre des liquides dans les vases communiquants, le môme niveau que dans le générateur. Le verre du tube a besoin d'ôtre bien propre et transparent ; voilà pourquoi vous y voyez un double système de robinets qui permettent d'interrompre la communication avec la chaudière et, pendant ce temps, de nelloyer le tube. Le chauffeur doit avoir

LA CHAIDIÈRE. HT

fréqucmnicnl l'œil sur cet appattil, aussi précieux que simple.

Une suqiroduclion momealanée de vapeur, un mauvais fonctionnement de la pompe d'alimentation provenaift d'un accident subit, pourrait abais-

ser brusquement le niveau et surprendre notre bommc, pendant qu'il est occupé ailleurs. L'indicateur k tubes de cristal ne suffil donc point. On y ajoute l'un ou l'autrj des divers systèmes de lloltcui-s qui mnnifestonl l'état insuffisant du niveau par dfj si.'naus iiruyan's. Tels sont, par cxem-

11» U ÏAPElll.

pie, les flotlfiurs d'alarme, le flotteur magnétique.

Un flotteur E, c'est ordiiiaii'ûinent une boule i métallique creuse), monte et descend avec le ni-j veau de l'eau de Ja chauilî'ère. Il est soiïtemi par. une tige fjui fonnc un bras d'un levier tournant

iiulour du point ; l'autre bias siiinwrte un coiiJ Ire-poids P. Dans 1ns limites normales du nives de Teau, la tige maintient une soupape D coffi Ire l'ouverture d'un tuyau communiquant aTOcl'* extérieur. Si le niveau de l'eau s'abaisse :

sous de ces limites, le flotteur s'abaisse avec 1 détermine l'ouverture de la soupape. La vap( s'échappe par le canal et sort par un orifice a laire BB ; là elle rencontre te i lionls aigus d'un ti

LA CHATJDIÈRE. H9

bre qu'elle fait vibrer de manière à produire un son très-intense et prolongé.

Le chauffeur est averti du danger par ce son inaccoutumé : de là le nom de flotteur d*àlarme donné à cet appareil.

La figure 27 représenta un flotteur autrement

Fig. 27.*— Flotteur d'alarme de Bourdon.

disposé. La vapeur entre librement dans une boîte métallique triangulaire A, qui est séparée du sifflet d'alarme par une soupape S, que maintient un ressoil. Le niveau de l'eau baisse-t-il au delà de la limite, le flotteur P, en desceqdant, tire la chaîne^ ouvre la soupape et laisse la vapeur s'échapper bruyamment au dehors.

Le flotteur indicateur à cadran est formé d'un disque P en pierre, dont une chaîne de suspensioa,

123 r,.V TArEDR.

l'insuffisance de l'eau àa générateur : dans des drcoiislances que je préciserai plus loin, la vapeur peut acquérir une iorce élastique dépassant tout à coup, cL de beaucoup, les limites de pression pour lesquelles la chaudière a été construite. Pour prévoir ce cas, on adapte des soupapes de sûreté du genre de celle qiu'on a vue ddus la maimite de Papin, et dont la (figure 50 représente sur une plus

Fig.aO.— Soupape rie sûrelé ae-Papin.

grande échelle, la disposition ordinaire. Le jeu fin est si simple qu'il est inutile de le décrire au long. Ces soupapes sont en bronze et leurs dimensions sont calculées pour que l'une des deux, que les règlements officiels rendent obligatoires, donne à la vapeur, en cas d'excès de pression, une issue suffisante pour ramener la pression à la limite normale. Dans ce calcul, on tient compte naturellement de la surface lotale de chauffe de la cliaudièrp.