PERFECTIONNEMENT DU MATÉRIEL APPAREILS D'EXHAURE
Malgré les grèves et la situation indécise de toutes les affaires industrielles, les houillères ont continué avec énergie leurs travaux de développement. Bientôt nous serons en mesure d'ajouter de nouveaux exemples d'installations à ceux que nous avons, décrits Tannée dernière, en ce gui concerne l'extraction et Taérage. La classification des charbons, le triage, le lavage et la fabrication des agglomérés ont également réalisé des progrès nouveaux.
Dans notre exposé sur les houillères en 1868, nous avons indiqué les études faites sur les installations des puits d'extraction, afin d'en rendre le service aussi rapide et aussi économique que possible. Produire l'extraction maximum dont chacune de ces installations est susceptible , tel est le principe posé et mis à exécution. Nous avons laissé de côté, dans cet exposé, Yexhaure, c'est-à-dire Vépuisement des eaux. Les appareils dont les conditions pouvaient présenter le plus d'intérêt par leurs caractères de nouveauté et de per-
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fectionnement n'étaient pas encore montés, et c'est cette année seulement que nous avons pu réunir les documents nécessaires pour les faire apprécier.
Le plus grand obstacle qui s'oppose à l'extension des houillères est celui des eaux que rencontrent les travaux et dont la quantité augmente progressivement : telle mine qui depuis nombre d'années avait pu se contenter d'épuisements locaux par les machines d'extraction, ou par des machines spéciales de peu d'importance, est aujourd'hui contrainte de centraliser son exhaure et d'établir des appareils d'une puissance exceptionnelle. Il en est résulté que, pour bon nombre de nos exploitations houillères, ces grands appareils d'exhaure sont devenus une condition vitale , et que tous les perfectionnements apportés à l'économie et à la régularité de leur marche sont de la plus grande importance pour l'industrie des mines.
Trois grands appareils d'exhaure récemment établis appartiennent à trois types distincts et permettent de résumer les perfectionnements de leur construction. Ce sont les appareils du puits de la Providence à Tiennes, dans le Pas-de-Calais; du puits Saint-Laurent au Creuzot; du puits Sainte-Marie à Montceau-les-Mines.
Appareil du paît» de la ProTldenee à Flennea
(Paa-de-Calala).
Le constructeur, M. Quillacq, s'est inspiré pour cet appareil de ceux qui ont été précédemment établis au Grand-Hornu et à Grisœuil, en Belgique; la disposition qu'il a adoptée est représentée planche l.
APPAREILS D*£XHAURE. 43
On voit que cette machine est à traction directe et pourvue de deux puissants balanciers d'équilibre. La tige est en outre chargée de poids additionnels, dont le but est d'augmenter le poids des masses mises en mouvement, de manière à rendre l'action plus régulière.
Nous avons donné en 1869 quelques indications sur cette machine, alors qu'elle ne fonctionnait pas encore; depuis, elle a satisfait au programme d'épuisement que l'on s'était imposé, et nous croyons qu'on lira avec intérêt la note ci-après, qui nous a été remise par M. Quillacq.
Cette note précise les conditions de la construction et met en évidence tous les sacrifices qu'une compagnie houillère a dû s'imposer pour démerger ses exploitations inondées et reprendre ses travaux.
La machine. a été installée pour élever les eaux au jour, d'une profondeur de 400 mètres, au moyen de six pompes foulantes à plongeur de 60 centimètres de diamètre et d'une pompe élevatoire de 63 centimètres placée au fond. La course des pistons est de 4 mètres. Les six jeux foulants ont la même hauteur, 63 mètres; le jeu élévatoire a 25 mètres.
Les conduites ascensionnelles des pompes foulantes sont en fonte et ont 50 centimètres de diamètre intérieur; celle de la pompe élévatoire est en tôle et a 66 centimètres.
En admettant que le volume d'eau élevé soit égal à 0,9 du volume engendré par les pistons, et en comptant sur une vitesse de quatre coups par minute, le travail mesuré en eau élevée égale 352 chevaux de 75 kilogrammètres.
Le cylindre à vapeur a 2'",65 do diamètre; la course du piston est de 4 mètres. La vapeur devant être admise à la pression de 3*^,75; la détente commençant à moitié de la course et l'espace nuisible étant égal à 1/20 du volume engendré par le piston pendant Tadmission de vapeur, le travail théorique de la vapeur dans le cylindre est de 633 chevaux de 75 kilogrammètres. Le
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rapport du travail utile au travail moteur est donc 20» = 0,572.
t)oJ
Les expériences faites sur des machines de ce genre, à Hornu
entre autres, ont fixé la valeur do ce coefQcient à 0,65 environ.
En supposant que la vapeur soit produite dans les chaudières
àla'pression de 4 atmosphères, le poids de vapeur dépensée sera
par coup de piston 24^,332, soit par heure et pàt cheval niesuré
en eau élevée ^^^ ■= 16^,2. La consommation de com-
bustible sera donc :
1*" Pour une production de 6 kilogrammes de vapeur par kilo^
16 2 gramme de houille, -^= 2'^,700 ;
2"^ Pour une production de 7 kilogrammes de vapeur par kilo^
16 2 gramme de houille, — y-=2'',310,
par heure et par cheval mesuré en eau élevée.
Ces résultats sont moins avantageux que ceux que Ton obtient en pratique, par la raisotl que le coéfâciëtlt Adîhis pôilr Têffet utile est évidemment faible.
La i-eptésentation graphique du travail Variable de là puissance et du travail uniforme des tésistanëes Utiles et passives démontre qu'avant le point de la courl^e du piâtdn où ces fotcès se font équihbre, il y a du côté de la puissance Un eitcès de travail de 72000 kilogrammètres, correspondant à un e^cès égd du côté des résistances pendant la seconde pai*tie de la course. Noua avons fixé à 1",75 la vitesse des tigeS àU point d*équilibrë, et îious avons supposé les masses nécessaires à la régularisation du mouvement placées sur les tiges et sur deux bâlduciiers â bi'as égaux, de manière que toutes ces masses soietit animées de là même vitesse que les tiges. Dans ces conditioUë, le poids des masses en mouvement, y cotUpris les tiges 6t lé. éolohne d^eau de
PV«
la pompe élévatoire, est donné par la formule T= -5--, qui de-
vient P = -^ = — — = 465 000 kilogrammes.)
Les masses en mouvement sont cotiiposéés ainsi c(u'il 6uit .'
APPAREILS D*EXHAURB. 4Ô
Golotineélétfttdire : diainëtre,66 centiroëtres: longueuf 1 20 idëtres^ 6 800^
Piston, tige de piston, crosse et tiges d'altelage 16500
Plongeurs des pompes foulantes (3000 kilogrammes Tan). . . 16 000
Maîtresse lige en fer 23^000
Tige et piatoli de pompe élévatoire * 2500
Contre-poids 489200
Totftb. . . ; 465000k
Potif sitnplifîel* le cëlcUl, nous ti'àvôtis pëS tentl compte dti poids des balanciers; le centre de gravité de chftcuti de leui's bras étant animé d'une Vitesse beaucoup moins gràtide que Celle dès autres masses, le travail qilMls Sotit susceptibles d'emrtielgàsitier est relativement peti important; Celte omisëîdti, dU rdste, est à PdVatltage du résultat pratique.
La pressiou exercée par l-eaU sous les plotig<îUr§ dëS pômpë» foulantes est 106600 kilogramtHes. Le poids de la ibaltreSse tige devra Vaiticré, outre Cette résistdtiCe, celle due ftu toouveflient dës clapets et aul^ frottements de toute ndttitej pôUi" Cela, soU poids devra être environ 145000 kilogrammes.
Il y aura lieu alors de répartir les contre-poids de la manière suivante :
Du côté des tiges S^JOOOk
Du côté opposé aux tiges . . » 156 600
La maîtresse tige se compose, dans toute sa longueur, de deux tirants en fer plat et cornière, écartés de 1^,50 d'axe en axd \ $on poids total peut se décomposer de la manière suivante :
Premier jeu i 52000*
t)euxiërae jeu 47000
troisiënde jéu; 41500
Quatrijbme jeu 36000
Cinquiëme jeu 50500
SiJtiëmejëtt. i . , . i 23000
Total 232000i«
La machine d'épuisement de Fiennesj calculé à ^"',65 de diamètre, a en exécution 2"", 66 ; elle peut faire 4°>,15 do course. Elle a été mise en train le 27 juin 1867, et depuis cette époque elle a fonctionné constamment; mais seulement à raison de deux à trois coups par minute, les besoins de l'épuisement U'exigeant pas une plus grande vitesse.
Quolqiiè faite pour extraire 50000 hectolitres en vingt-quatre
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heures, la machine n'a Jamais eu, jusqu'à présent, à tirer plus de 20 000 à 25 000 hectolitres.
Actuellement la fosse Providence, sur laquelle elle a été montée, est à sec; les travaux intérieurs, noyés depuis deux ans, ont été retrouvés en assez bon état, sans trop d'éboulements, et la dernière circulaire des administrateurs, en date du 19 janvier 1869, dit: « Malgré la saison défavorable dans laquelle nous sommes, Tépuisement se maintient dans de très-bonnes conditions à la fosse Providence; le guidage du puits est terminé, et Ton commence le percement des galeries qui doivent servir à l'exploitation.
Nous avons tout lieu d'espérer que dans notre prochaine circulaire, c^ est-à-dire le mois prochain, nous vous annoncerons que nous sommes en extraction et par cela même arrivés au résultat qui doit nous payer de nos sacriQces. »
Les actionnaires de cette compagnie ont successivement voté en assemblée générale 2 500 000 francs, afin de faire face à ces travaux extraordinaires.
Ce qui frappe le plus dans cette étude des conditions de construction de l'appareil de Tiennes, c'est le chiffre considérable des masses mises en mouvement : 232 tonnes de tiges en fer d'une part et, d'autre part, 189 tonnes de contre-poids, forment les principaux éléments de ces masses.
Les masses additionnelles placées sur la tige sont nécessaires pour régulariser le mouvement et l'action de la détente. Mais il ne faut pas se dissimuler qu'il en résulte une dépense onéreuse au double point de vue de la construction et de l'entretien.
Que l'on se reporte aux conditions de la marche de ces machines.
Le piston étant au repos, la soupape d'exhaustion est ouverte la première et détermine une tension générale des organes mécaniques prêts à se mettre en mouvement. La soupape d'admission est ensuite ou-
APPAREILS d'eXHAURE. 47
verte en grand et la vapeur afflue sur le piston par de larges orifices; le choc qui en résulte lance violemment la maîtresse tige, et lorsque cet énorme volant a reçu .le mouvement, la course ascendante s achève sous l'influence du condenseur et par Faction décroissante de la détente.
Ces chocs violents qui déterminent le mouvement ébranlent progressivement les organes mécaniques et les assemblages. Si quelques clavettes, boulons ou tourillons ont pris du jeu, ce jeu s'augmente rapidement par les oscillations saccadées ; toute pièce est alors exposée à se briser, et lors même qu'il n'y a pas rupture, les chocs deviennent tels qu'il y a bientôt lieu à refaire une partie des assemblages.
Au bout de quelques années de marche, on s'aperçoit, en effet, que les assemblages, autrefois jointifs et solides, ont pris du jeu et commencent à ferrailler. Si l'on se décide à une réparation, la révision successive met en évidence la nécessité de la généraliser, ce qui équivaut à une dépense notable et à un chômage.
De nombreux cas de rupture ont mis en évidence les périls du système. La rupture d'un organe essentiel peut en effet déterminer les désordres les plus graves. Le piston, abandonné à lui-même, va frapper le fond du cylindre, qui peut être brisé. La maîtresse tige retombe violemment sur les appuis, en ébranlant toute la construction de la colonne. 11 est même arrivé, pour des machines à balancier, qu'une partie du balancier, venant à tomber dans le puits, brise les moises, les cloisons et les tiges. De là l'origine de divers perfectionnements dont nous exposerons successivement les principes et les applications.
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HmchliÉë de Hllidiid^ en Bohème.
M. Boohkoltz, ingénieur des mines en Autriche, a ouvert une voie nouvelle âU perfectionnement des machines d'exhaure, en discutant dâfls les plus grands détails les conditions de Téquilibre des maîtresses, tiges. Ses études ont été publiées dans la Revue universelle dé Liège, et ses conclusions sont eU voie d'applidfttioti danë uue machine coUstrUite par M. Quillacq, d*Ani5iû, pour les mines de Kladno, en Bohême.
Dans le système Bochkoltz, le contre-balancier est à tî*oils bras; le bras inférieur, perpendiculaire à Taxe du balancier, porte un contre-poids qUl s'élève lot'sqUë le piston moute, et ajoute au poids de lai maîtresse tige, lorsqu'elle est abandonnée à elle-môffle. Mais, passé la moitié de la course, ce contre-poids monte de l'autre côté de la verticale et change de sigtie ; il ajoute, par conséquent, aux contre-poids d'équilibre.
La disposition de ce contre^poids additionnel est indiquée sur la planche I par Un croquis théorique ; elle est indiquée en exécution pal» la coupe planche XII ^ qui représente Tensemble de la machine de Kladno.
M. Bochkoltz résume dans les termes suivants les avantages de ce contre-poids pendule, auquel il donne le nom de régénérateur de force.
Les clapets des pompes foulantes ou soulevantes sont automo^ teurs, c'est-à-dire se lèvent spontanément par suite de la pression exercée au-dessous par Teau, et, selon leurs fonctions, on les appelle clapets d*aspiration ou clapets de refoulement.
ComtnerefTet utile des pompes, en ce qui concerne la quantité d'eau élevée, dépend en très-grande parUe de l'état particulier des
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clapets^ on s'applique avec raison à leui* donner des dimensions bien proportionnées, à les rendre bien étanches et d'un mouvement facile.
En tant que Ton ne juge de Teffet utile d'une potnpe (Jtie d'après le rapport de la quantité d'eau effectivement élevée au volume engendré par le piston de la pompe (o' est-à-dire aU volume d'eail théorique)^ comme cela se fait d'ailleurs le plus souvent^ les soins indiqués pour la construction des clapets suffisent pour donne^^ un résultat satisfaisante Mais on néglige aldrs de remar({u6r qu'il n'y a pas ce seul genre d'effet utile à considérer^ et (|u'il faut aussi envisager l'autre effet utile résultant de la comparaison du travail mécanique utilement employé avec le tratiail réellement dépensé pour activer les pompes^ en calculant le premier sur la base du poids d'eau réellement élevée et de la hauteur d'épuisenlentt Sous ce dernier rapport, le plus grand nombre des machines d'épuisement laisse beaucoup à désirer, et il s'y fait, sans que les propriétaires s'en doutent et malgré des chiffres d'effet utile comparativement assez élevés^ une déperdition très-considérable de travail moteur^ comme je vais le démontrer.
On sait que tout clapet (ou sotipdpë) atitomoteuf, de qtlèlque genre qu'il soit, chargé à sel surface supérieure d'une certaine pression, ne peut s'ouvrir sponlanéttient qu'autant que la pression qu'il reçoit d'en dessous vietit à dépasser la pression totale qui le retient sur son siège; cette der'nière pression est égale à la somme du poids efficace du clapet, plus la pression agissant sur sa surface supérieure. Or le poids efficace des clapets est généralement très petite comparativement à la pression hydraulique s'exerçant sur le clapet, et peut dès lors ôtte négligé satis erreuf sensible; il n'y a donc plus lieu de considérer que les deux pi'esi-' siôds hydrauliques agissant de part et d'aiitte sur le clapet. Ced pressions sont chacune égaler au produit de la surface respective du clapet et de la pression correspondante pat unité de surface ; comme les deux produits, c'est-à-dire les deux pressions totales, sont égales entre elles à Tinstant avant l'ouverture dti clapet^ il s'ensuit que les pressions par unité de surface sont inversement proportionnelles aux deux surfaces inférieure et supérieure dil clapet^ que par cotlséquerit la pression par unité de surface qui
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doit agir au-dessous du clapet, pour le faire ouvrir spontanément, doit être plus grande que celle à laquelle la surface supérieure est exposée, et cela dans le rapport inverse des deux surfaces respectives elles-mêmes.
Le rapport de ces deux surfaces n'est pas toujours le même et il varie pour chaque cas particulier ; les auteurs qui ont voulu établir des règles pour déterminer les proportions des clapets diffèrent également entre eux : les uns prennent le plus grand diamètre D égal à 1 ,â fois le petit diamètre d, d^autres prennent la largeur du siège ou du recouvrement du clapet, c'est-à-dire
— - — = 4+K c?, les dimensions étant exprimées en millimètres;
d'autres enfin font D = 8 + 1,15 d, les dimensions étant également exprimées en millimètres.
D'après la première de ces règles, le rapport des deux surfaces de clapet serait constant et égal à 1 : 1,44; d'après les deux autres règles, ce rapport varie avec les diamètres et diminue quand le diamètre augmente. Il serait difficile de préciser les limites entre lesquelles ce rapport est compris; les cas sont assez rares où le rapport n'est que de 1,25 à 1,31; on trouve, au contraire, assez souvent des rapports atteignant 1,50 à 1,55 et môme au delà; lorsqu'on fait usage de clapets à doubles sièges, connus sous le nom de soupapes Homblower ou de Harvey, le rapport mentionné dépasse même 1,80, comme cela a lieu entre autres aux machines d'épuisement du Bleyberg. C'est même ce rapport défavorable que l'on reproche à ce genre de soupapes et qui, malgré les avantages précieux qu'elles présentent d'autre part, est une des causes principales qui ont empêché la généralisation de leur emploi. En faisant disparaître les effets nuisibles du rapport des deux surfaces de ces clapets, cet obstacle à leur emploi cessera également. Ces quelques observations font voir qu'il ne peut pas être question de fixer par le rapport des surfaces inférieures et supérieures une valeur moyenne, mais qu'il est de toute nécessité de calculer co rapport pour chaque cas particulier.
Il y a lieu de remarquer que, dans le calcul des pressions, il faut non-seulement tenir compte de la colonne hydraulique audessus du clapet, mais aussi de la pression de l'air atmosphérique,
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qui, il est vrai, se fait sentir tant en dessus qu'en dessous du clapet, mais produit des effets différents des deux côtés, en raison du rapport même des deux surfaces du clapet.
Lorsqu'il s'agit du clapet de refoulement dans les pompes foulantes, la pression sous lui est produite par le piston foulant, qui à son tour la regoit de la maltresse tige^ à laquelle il est attaché et qui agit le plus généralement par son propre poids. Il résulte de là que, pour qu'il y ait équilibre, ce poids de la maltresse tige doit être égal à la somme du produit de la surface du piston multipliée par la pression par unité de surface à produire sous le clapet, puis le poids nécessaire pour vaincre toutes les résistances passives dues aux frottements des pompes, de la maîtresse tige dans ses guides, de l'eau dans les pompes et tuyaux et de la machine motrice elle-même pendant la descente de la maîtresse tige. Pour peu que le poids de la maîtresse tige soit un peu supérieur, réquilibre est rompu, et la pression produite sous le clapet de refoulement est suffisante pour en provoquer l'ouverture spontanée. Mais dès l'instant où cette ouverture a lieu, c'est-à-dire après que le piston est descendu seulement de quelques centimètres, la surface inférieure du clapet se trouve augmentée de la partie qui d'abord était appliquée sur le siège et n'y recevait pas la pression d'en dessous, et elle devient alors égale à la surface supérieure; à partir de cet instant, la pression d'en dessous n'a donc plus besoin de dépasser celle d'en dessus qu'autant qu'il faut pour tenir le clapet en suspension, c'est-à-dire pour faire équilibre à son poids efficace, différence si petite, ainsi que je l'ai fait observer déjà, que l'on peut, sans erreur sensible, la négliger. La pression réellement exercée par la maîtresse tige sous le clapet après son ouverture est donc alors trop grande de toute la différence entre les deux pressions primitives au-dessous et au-dessus du clapet, et la maîtresse tige présente par suite un excédant de poids considérable»
Or cet excédant de poids de la maltresse tige, en descendant de toute la hauteur de la levée, produit un travail considérable, dont seulement une très-minime partie est utilement employée, au commencement de la descente, pour provoquer l'ouverture du clapet, et tout le reste, c'est-à-dire presque la totalité , n'est plus
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nécessaire pour activer les pompes ; il suffit en effet que le piston s^abaisse au commencement de sa descente seulement de quelques centimètres pour que le clapet vienne déjà à s'ouvrir; or le travail produit par l'excédant de poids pendant le faible abaissement du piston est au travail produit par le môme excédant de poids pendant Texcursion entière, comme les chemins respectifs parcourus; mais comme la cogrse des pistons de pompe est généralement très-grande, de plusieurs mètres, on voit que le travail Utilement employé pour la levée des clapets n'est qu'une faible fraction du travail produit par la descente de l'excédant de poids, et par suite du travail dépensé pour soulever cet excédant de poids h Texcursion précédente, en sens inverse*
Pour ne pas perdre entièrement l'excédant de travail pro4tti(, on en utilise une partie pour comprimer^ vers la fin de rexcur^iou, une certaine quantité de vapeur contenue encore dans le cylindre et dans l'espace nuisible de pelui^ci, afîn de n'avoir pas besoin, k la levée suivante, de remplir ce dernier avec de la vapeur nouvelle venant de la chaudière* A cet effet, on ferme, à un instant doppé et avant la fin de la course rétrograde du piston ^ vapeur, U soupape d'équilibre, qui avait mis en communication la partie jufé^ rieure et supérieure du cylindre à vapeur; alor^ la vapeur, dont la pression est à cet instant ou, pour mieu^ dire, devrait être égale à celle régnant de l'autre côté du piston, ne peut plus sortir du cylindre; elle y est de plus en plus comprimée et atteint finalement dans Tespace nuisible une pression qui s'approche^ sans cependant devoir l'atteindre, de (a pression moyenne que présentait la vapeur en faisant monter la maîtresse tige.
Le travail ainsi utilisé est loin toutefois d'égaler celui produit par la descente de l'excédant du poids de la maîtresse tige, et il en reste encore une quantité considérable qui, si elle p'était pas détruite artificiellement, aurait pour effet de faire descendre la maîtresse tige avec trop de vitesse et de la faire frapper avec violence sur les paliers d'arrôt, effet désastreux qu'il faut nécessairement et absolument empêcher. Le moyen qu'on emploie généralement pour cela, et qui présente l'avantage trompeur de faire disparaître à l'œil un défaut important, consiste à n'ouvrir qu'incomplètement la soupape d'équilibre, afin que la vapeur, en
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passant d'un côté du piston à Vautre, y éprouve une résistance telle, que sa pression reste plus grande en avant du piston rétro* gradaqt que de l'autre côté, et que le travail résistant ainsi produit suffis^ pour produire ou équilibrer ToKoès de travail dû à rexoé* dant de poids de la maîtresse tige.
Tant que Ton ne connaissait d'autre paoyen/pouf faire fonctionner spontanément les clapets de refoulement, que de donner à la maîtresse tige un surcroît de poids tel que je viens de le signaler, le procédé pouvait être considéré comme bon; cependant il entraînait une perte notable de travail; cette perte était égale à celle occasionnée par l'eKcës de poids de la maîtresse tjga.
Mais si l'on disposait d'un moyen pour produire indirerctement sur la maîtresse tige la force supplémentaire dont on a besoin pour la production de la pression nécessaire sous le clapet de refoulement, ou bien de contre -balancer convenablement Texcédant de poids de la maîtresse tige, après qu'il a servi à Touverture du clapet, on éviterait par cela môcpe la production 4e tout Texôédant de travail de la maîtresse tige, et il n'y aurait plus lieu, d'une part^ d'utiliser une partie de cet excédant pour cooiprimer la vapeur dans l'espace nuisible, et, d'autre part, de devoir forcer ment et er\ pure perte eu détruire le reste. Je dis mêoae plus ; il ne serait plus avantageux alors de comprimp* h vapeur dan^ l'e%* pace nuisible, parce qu'il n'y aurait plus d'excédant d^ poids k la maltresse tige qui puisse y servir, et qu'il serait désavantageux de lui en donner une spécialement dans ç§ but, surtout dans lai machines travaillant sans détente ou aveo une détent? insigni-' fiante, attendu que le travail qu'il faut dépenser pour soulever cet excédant de poids est en pratique plus considérable gu9 celui que l'on peut obtenir utilement par la descente de ce même poids, à cause des pertes de travail dues aux résistauQ^i pas$jva^ des frottements et surtout au refroidissement de la yapQUr contre les parois du cylindre, et epfin k pause dU mode d'açtioQ bien différent de la vapeur motrice et de la vapeur h comprimer.
Tout ce que je viens de dire à Tégard des clapets do refoulement ^'applique également aux clapets de piston d^$ pomp^ êoultvmtes. En effel, pour que ces clapets puissent l'ouvrir «pontaném^nt, il faut que le piston, au cpmmenoament de sa descanta»
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produise d*abord sur le liquide en dessous une augmentation de pression telle, qu'elle soit dans le rapport inverse à la pression hydraulique au-dessus du piston, comme les deux surfaces respectives du clapet du piston. Il en résulte que la tige de piston des pompes soulevantes doit présenter un excédant de poids comme dans le cas des pompes foulantes, mais que cet excédant devient inutile aussitôt que le clapet de piston s'est ouvert et qu'il constitue par cela la cause d'une perte notable de force motrice.
Enfin , quant aux clapets d'aspiration des diverses espèces de pompes, il ne s'agit pas de produire une plus forte pression au^ dessous de ces clapets, mais de diminuer davantage la pression au-dessus d'eux, jusqu'à ce que le rapport de ces deux pressions devienne l'inverse de celui des deux surfaces respectives du clapet. Cela revient donc à développer une force d'aspiration plus grande, et par suite à exercer sur le piston une force ascensionnelle plus considérable que celle qui correspondrait à la hauteur d'aspiration proprement dite.
Comme cette force ascensionnelle est produite directement par le moteur, il n'y a, dans le plus grand nombre de cas, aucune difficulté de faire agir la vapeur au commencement de la levée de la maltresse tige, et pendant un temps très-court, avec une pression un peu plus grande, et de la faire ensuite détendre, surtout vers la fin de la course, pour que la somme du travail produit par elle corresponde exactement à l'eiïet utile à produire, tant pour soutenir la maîtresse tige et la colonne liquide à aspirer ou à soulever que pour vaincre les résistances diverses de frottement, et enfin pour surmonter la résistance due au jeu du clapet d'aspiraration. On voit par là que ce dernier ne donne pas lieu généralement à des pertes de travail comme les autres clapets de pompe.
Mais il faut remarquer toutefois que le supplément de force motrice exigé momentanément pour l'ouverture spontanée peut, eu certains cas, avoir des conséquences importantes; il peut arriver en effet — et ce cas se présente assez fréquemment — qu'on ait besoin d'augmenter les moyens d'épuisement d'une machine déjà existante, soit en y établissant des pompes d'un plus grand diamètre, soit en en augmentant le nombre. Si alors la pression
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maxima de la vapeur dont on peut disposer suffisait, en agissant à pleine pression pendant toute la course et sans détente aucune, pour produire la somme totale de travail nécessaire, mais non pour produire au commencement de la levée, môme pendant un temps très-court, un surcroît d'effort égal à celui nécessaire pour provoquer Touverture des clapets d'aspiration, on serait absolument forcé de remplacer le moteur existant par un autre d'une plus grande puissance et d'augmenter en outre les générateurs de vapeur,
M.BochkoItz a ensuite analysé et calculé les effets de son système, en le supposant appliqué à la machine du classique Grand-Hornu. De cette analyse il résulte que Ton peut distinguer deux périodes d'action bien différentes Tune de lautre. Pendant la première période, le contre-poids pendule sert à produire sur la maîtresse tige, dans la direction voulue, la force supplémentaire nécessaire pour la levée spontanée des clapets respectifs; dans la deuxième période, qui commence au moment où la levée des clapets s'est effectuée, le poids régénérateur recueille l'excédant de travail développé alors par le moteur ou par l'excédant de poids de la maîtresse tige au delà de l'effet restant à produire sur les pompes; il devient ainsi capable de remonter jusqu'à son niveau primitif, et par suite de prendre à son tour, à l'excursion suivante, la force supplémentaire dans le sens voulu. La production de cette force supplémentaire est donc une conséquence du travail recueilli pendant l'excursion précédente par l'ascension du poids, qui alors devient capable de reproduire le même travail à l'excursion suivante. C'est cette circonstance qui l'a déterminé à appeler l'ensemble du bras oscillant avec le poids y attaché régénérateur de force.
L'application de ce système doit en outre prévenir
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ou atténuer les accidents les plus à redouter dans les appareils d'exhaure, ceux qui résultent des chocs de la maîtresse tige contre les arrêts, lorsque sa montée ou sa descente dépasse les limites assignées.
En effet, Femploî du régénérateur permettant de réduire le poids de la maîtresse tige aux conditions nécessaires pour sa solidité, les résultats et les chances de ces accidents se trouvent diminués. Elles sont diminuées surtout par les résistances supplémentaires qui viennent s'opposer aux mouvements extrêmes de la maîtresse tige, le bras de levier sur lequel agit le poids régénérateur s'accroissant rapidement avec l'angle d'écartement.
Ces considérations, développées dans le travail de M. Bochkoltz, décidèrent M. Quillacq à construire sur ce système un appareil d'exhaure pour les mines de Kladno en Bohême, avec machine de 300 chevaux,
M. Quillacq a bien voulu nous communiquer les détails de cette construction et les calculs à l'appui; nous en extrayons les parties essentielles.
Quantité d*eau à élever : 3'»',840 par minute.
Profondeur du puits : SôO^jS?.
Pression absolue maximum de la vapeur : 6 atmosphères.
Admission dans le cylindre : 3/4 de la course.
La colonne se compose de cinq pompes foulantes :
Diamètre des plongeurs 0^,^21
Section 2,18l«*
Course 3'n,16
Les résistances passives de toute nature de la machine et de ses pompes sont évaluées à 0,2 du poids utile des colonnes d'eau.
Les pompes sont disposées de manière à ne devoir pas aspirer.
Ueiïort à exercer au commencement de la course descendante pour vaincre la résistance due au recouvrement des clapets de refoulement est évalué à 0,4 du poids utile des colonnes d'eau.
APPAREILS D'eXHAURE. 57
L'effort à exercer au commencement de la course ascendante pour ouvrir les clapets d'aspiration est évalué pour chaque pompe
à 1 atmosphère — j-j = 0**"»,285 ,
soit 0,285 X 1,033 x 2 181= 640 kilogrammes,
soit pour les cinq pompes 3200 kilogrammes.
Le poids total de la colonne d'eau à soulever est 76 500 kilogrammes.
Le calcul conduit à un cylindre à vapeur de 2 mètres de diamètre.
La maltresse tige, d'après le devis, doit peser 110000 kilogrammes.
On admet que, pour refouler la colonne d'eau et vaincre les frottements, le poids libre moyen de la maltresse tige doit être environ un huitième plus fort que le poids utile de la colonne d'eau , soit 86 000 kilogrammes. Il y aura donc lieu d'équilibrer 24000 kilogrammes au moyen d'un contre-poids placé sur le contre-balancier.
Ce balancier est du système Bochkoltz, ainsi que l'indique la planche XII, et l'on admet que, si ce système n'avait pas été employé, le poids de la maltresse tige aurait dû être 76 500 [ ^ + 0,40 j
= 116 500 kilogrammes.
Le contre-poids régénérateur du balancier Bocbkoltz a été calculé d'après l'évaluation de l'effort pour soulever les clapets, supposée de 0,40 du poids utile de la colonne d'eau;
Soit 76 500 X 0,40 = 30 600 kilogrammes.
La longueur du bras du balancier étant 4°^, 24 et la course 3;16, la flèche 0^^,30, le poids régénérateur sera
Reste à déterminer la vitesse à laquelle pourra marcher la machine. Pour cela, nous devons calculer la vitesse moyenne des tiges pour la montée et pour la descente.
Nous supposerons la course divisée en douze parties égales et
58 l'industrie houillère en 1869.
nous calcalerons pour chaque point de division le travail produit par la vapeur, par le poids régénérateur, et le travail absorbé par les résistances, en observant que ce dernier n'est pas uniforme , parce que le poids effectif de la maîtresse tige varie suivant que les plongeurs sont plus ou moins immergés.
Nous en déduirons Texcès de travail de la puissance et la vitesse correspondante pour chaque douzième de la course, cette
I /T + 19 62 vitesse élant donnée par la formule V=l/ rj-^ — , dans
laquelle T représente le travail correspondant à la vitesse V et M le poids des masses mises en mouvement, ramenées à la vitesse V.
M comprend :
Le poids moyen de la maîtresse tige 110000 kil.
Le contre-poids d'équilibre 20 000 X-Thn-= 28500 —
Le poids régénérateur. . 79000 •—
Le poids du balancier 20000 liilogrammes, en supposant que le
centre de gravité de chaque branche soit à 2 mètres du centre,
Poids approximatif de Teau en mouvement dans les pompes et
les chapelles 5040 —
Total 227 000 kil.
Le résultat des calculs de la course ascendante se résume ainsi :
TravaU
Trayait
Trayail
Travail
Excès
Course.
de
du
delà
delà
delà
Vitesse.
)a Tapeur.
régénérateur.
puissance.
résistaoce.
puissance.
La moyenne de toutes les vitesses indiquées est 1,29.
APPAREILS DEXHAURE.
Le temps nécessaire pour la montée sera donc
Qy
Pour la descente, un tableau analogue indique pour chaque douzième de la course le travail produit par la descente de la tige, par le poids régénérateur, ainsi que le travail des résistances, qui comprend le travail employé à élever Teau et le travail des résistances passives.
Le travail produit par la tige n^est pas uniforme, parce que le poids diminue à mesure que les plongeurs s'immergent.
Le travail nécessaire pour élever Teau est uniforme, puisqu'il n'y a pas d'aspiration.
Le travail des résistances passives se compose du travail nécessaire pour ouvrir les clapets de refoulement, lequel se produit dans le premier douzième, et d'un travail uniforme qui se produit pendant toute la durée de la course.
La valeur de M se compose de tous les éléments qu'elle comprenait dans la montée, augmentée du poids do la colonne d'eau refoulée. Nous admettons que Teau se meut avec la même vitesse que les tiges, c'est-à-dire que le diamètre intérieur des tuyaux est égal au diamètre des plongeurs. On a donc M = 225000 + 76 500 = 303 500. La vitesse calculée pour chaque douzième de la course s'exprime ainsi :
Travail
Travail
Travail
Travail
Excès
Course.
de
du
delà
des
delà
TitMse.
la tige.
régénérateur.
puissance.
résistances.
puissance.
205 OiO
La moyenne des vitesses de descente est 0,99.
60 l'industrie houillère en 1869.
Le temps de la descente est donc -^^ — se. •«•...«... 3'' —
La montée étant * . . 2" —
Supposant les temps d'arrêt, en haut et en bas, de S''
Le temps total poar un coup de piston sera . . « . « '^"tt;^
La machine pourra dono donner par minute Tr^r^^TTr* ^^^^
7 coups 1/2 par minute.
Le volume engendré par les plongeurs étant 0,2181 X 3,16 ruO'^'jeSO, si Ton compte un rendement de 0,9, le volume débité sera de 620 litres par coup de piston, soit par minute 4»^650.
La pression absolue de la vapeur sous le piston est évaluée à S*",!?; le poids dépensé étant de 12'',35 par levée, on aura pour 7 coups 1/2 93 kilogrammes. Admettant 3*^,70 de pression dans les chaudières, le poids d'eau vaporisée serait de 109 kilogrammes par minute.
Comptant sur 6 kilogrammes de vapeur par kilogramme de charbon brûlé, la quantité serait par minute IS'^^SO.
Machine de f 000 eheranx. en eonstmetlon pour les hoatllères da Iflamboarg:, à Charleroi.-*-.]fIachineii du système l¥oolf (d'Altenberg:).
Plus la force de la machine motrice d'un appareil d'exhaure doit être considérable, plus il importe de prendre toutes les précautions pour en assurer la marche normale et régulière. Aussi le projet d'un appareil de 1 000 chevaux en construction à Châteiineau présente-t-il un intérêt tout particulier.
Les conditions générales de l'installation projetée sont expliquées par un extrait du contrat de commande, qui les définit ainsi :
Appareil complet d'épuisement capable d'élever au minimum 251 mètres cubes d'eau par heure, d'une profondeur de 700 mè-
APfÂREtLS d'eXHAURE. 61
très. Ces conditions répondent à un effet utile de 650 chevauxvapeur, ce qui représente une force de 1000 chevaux, calculée sur un coefflcient général d'effet utile de 65 pour 100, sur lequel on devra baser les calculs.
La naachine sera à traction directe, à condensation du système Letoret, et à détente pendant la moitié de la course du piston. Elle ne devra donner, au maximum, que quatre coups doubles par minute pour remplir Teffet utile précité. La vitesse moyenne du piston ne pourra être supérieure à 1™,25 par seconde pendant Tascension et à 60 centimètres pendant le refoulement.
Cet appareil d'épuisement se composera :
D'une machine à vapeur à traction directe complète. Diamètre du cylindre, 3", 30 ; course du piston, 4 mètres;
De deux balanciers de contre-poids en tôle de fer, avec leurs attirails et contre-poids ;
Des chaudières à vapeur suffisantes pour faire mouvoir l'appareil d'épuisement ;
D'une maîtresse tige en bois (chêne) et fer ;
De pompes foulantes à pistons plongeurs de 60 centimètres de diamètre et de pompes soulevantes de 61 centimètres.
Sans connaître les conditions de poids et d'équilibre des tiges, ni le chiffre des masses mises en mouvement, nous pouvons cependant prévoir des proportions bien supérieures à celles de la machine du Grand-Hornu, qui, sauf la condensation, est construite suivant le même programme.
Dans cette machine du Grand-Hornu, tous les attirails, tiges et pistons ont au moment de la descente un poids libre évalué à H9 tonnes, et, de plus, les contrepoids équilibrent 180 tonnes, c'est-à-dire que le poids total des tiges et pistons est de 294 tonnes. En y ajoutant les balanciers et leurs contre-poids, représentant environ 240 tonnes, les attirails représenteraient environ 539 tonnes.
62 l'industrie houillère en 1869.
Les masses mises en mouvement peuvent donc être évaluées comme suit pour lascension de la maîtresse tiffe:
La maltresse tige, dont le poids moyen brut est
de 300000kil,
Les deux contre-poids, pesant ensemble. . . . 180000 —
Les deux balanciers à contre-poids, dont le poids équivalent, rapporté aux extrémités, peut être supposé de 5700 —
Les colonnes d'eau aspirées et soulevées, pesant en moyenne ensemble 12651 —
Les colonnes d'eau qui, outre les précédentes, se trouvent dans les corps de pompes foulantes et [dans leurs cbapelies; on peut supposer qu'en moyenne la hauteur des colonnes dans les corps de pompe soit de 2 mètres, et dans les chapelles environ de 1 mètre, de sorte que pour les huit pompes ces colonnes auront un poids égal à 8x0,1963x3x1000=. . . . 4711 —
Ensemble 503062kil.
A la descente, les masses mises en mouvement comprendraient, comme précédemment :
La maîtresse tige, ses contre-poids et leurs balanciers ;
Plus les colonnes d'eau refoulées, dont le poids moyen est évalué à 78 520 kilogrammes;
Plus les colonnes d'eau dans les huit corps de pompe et dans la partie des tuyaux sis en dessous des clapets de refoulement, évaluées à 6280 kilogrammes.
Si l'on suppose de pareilles masses opérant en moyenne 3 000 oscillations par jour, on ne sera pas étonné qu'une telle multiplicité de chocs et d'oscil-
APPAREILS DEXHAURE, 63
lations ne finisse par ébranler tous ces assemblages et donner lieu à des entretiens considérables.
Si Ton arrive à augmenter encore les poids de tiges et les masses mises en mouvement, il devra nécessairement en résulter des difficultés plus grandes et des entretiens encore plus coûteux. Aussi la détente a-t-elle été sagement réduite à la moitié de la course, afin d'atténuer les chocs qui résultent de son développement.
Mais on se trouvera, au moment de la mise en train, en présence de deux difficultés : le chifire élevé des masses mises en mouvement et une consommation de vapeur qui exigera de grands frais de combustible et de service de chauffage.
En présence de Ténorme effort à développer pour refouler au jour une colonne d*eau qui pèsera 197 tonnes, n'eût-il pas été préférable de donner au contraire le plus grand développement possible, en employant le système de Woolf, c'est-à-dire en employant deux cylindres directement attelés à la maîtresse tige, le plus petit recevant la vapeur à toute pression, le plus grand recevant, pour la détendre, la vapeur du petit, ainsi que l'action directe du condenseur.
En 1825, les machines de Woolf étaient en grande faveur en France, par suite des constructions d'Edwards dans les ateliers de Chaillot. Une machine d'exhaure du système de Woolf, à balancier, fut construite pour les mines d'Anzin, mais ne fut jamais montée.
En Cornwall, le système de Woolf avait été appliqué vers 1820 par Hornblower, mais ces machines n'existaient plus en 1830. On avait jugé, à cette époque, que, vu la grande masse de tiges à mettre en mouvement, il était plus simple de détendre la vapeur dans le cylindre
d'admission. En 1862, Tingénieur Karl Kley établit deux machines de ce système à Altenberg, pour les mines de la Vieille-Montagne , et fut conduit par une étude nouvelle à des dispositions analogues à celles des plans d'Hornblower, sans cependant en avoir eu connaissance.
M. Karl Kley a publié une excellente description de ses machines d*Altenberg. Il a fait ressortir, dans cette description, l'avantage d'obtenir une marche régulière sans avoir à charger les maîtresses tiges de poids additionnels, les laissant ainsi telles qu'elles résultent de réconomie et de la simplicité de la construction.
La dernière machine d*Altenberg a des dimensions moyennes, le grand cylindre ayant 1"',70 de diamètre et 2"*, 98 de course.
La capacité du petit cylindre est de 1"%685, celle du grand cylindre étant 6"*^755, et malgré la faible profondeur du puits d'exhaure la régularité de la marche n'a rien laissé à désirer.
En raison du succès obtenu par les machines de M. Karl Kley, M. Quillacq proposa à la Compagnie d'Anzin une machine du système Woolf dont les dispositions avaient un certain caractère de nouveauté. Les deux cylindres auraient été placés sur le même axe, le petit attaché en dessous des longerons en tôle qui soutenaient le grand. Les deux pistons se trouvaient ainsi complètement solidaires et directement attelés à la maîtresse tige.
L'Exposition de 1867, qui a mis en évidence le retour d'un grand nombre de constructeurs vers le système de Woolf, a produit de ces machines à deux cylindres placés horizontalement bout à bout; la disposition et
APPAREILS d'EXHAURE. 65
la marche en étaient tout à fait normales, et nul doute qu'en les plaçant verticalement pour manœuvrer une maîtresse tige, on n'eût obtenu le même succès.
machine da paito fisilnt«Iiaiireiit, ati Crenxot.
Telle était la situation des études relatives aux machines d'exhaure, lorsque fut posée la question d'un épuisement central pour les houillères du Creuzot. Une machine de cette importance, mise à l'étude dans ce foyer de science et d'expérience mécanique, devait conduire à une œuvre de premier ordre.
L*appareil du puits Saint-Laurent peut en effet être considéré comme un type remarquable par la logique de sa conception et par la perfection de tous les détails. Cette machine modèle est un honneur pour les houillères françaises, et nous sommes heureux de pouvoir, grâce aux communications des ingénieurs du Creuzot, présenter à nos lecteurs les documents qui ont servi de base à l'étude et les plans qui spécifient les caractères généraux de la disposition adoptée.
Dans notre compte rendu sur la situation des houillères de la France en 1867, nous avons donné en plan et en coupe la configuration du bassin du Creuzot (voir p. 41 et pi. XIII, 1866). Nous reviendrons seulement sur quelques détails au point de vue des eaux, d'après les notes qui nous sont communiquées par M. Petitjean, ingénieur en chef des mines du Creuzot.
La forme générale du gîte est celle d'un V dont la branche nord est plus ou moins relevée, et dont celle du sud s'enfonce sous les grès bigarrés, après avoir formé le monticule sur lequel la ville est bâtie. Elles
laissent entre elles plus ou moins de largeur au fond, et là alors la houille y est placée d ansune position peu ou fortement inclinée.
Depuis l'affleurement ouest du charbon sur le terrain de transition qui forme son mur jusqu'au point où il disparaît soi:s la grande faille des grès rouges, à Test, la longueur, suivant la ligne de fond, est de 3 390 mètres.
L'altitude du premier point est à OB'», 50
au-dessus du repère général des travaux ^ Celle du second à 520 ,00
Différence de niveau totale. . . 613", 50
La ligne de fond a, par conséquent, une inclinaison moyenne vers le sud-est de 18 centimètres par mètre. Mais il convient de dire qu'à la hauteur du puits XIII, ou à 1 850 mètres de l'extrémité ouest, l'enfoncement est plus rapide vers l'est. En effet, le mur de la couche est à 186", 64, soit 280 mètres de dénivellation pour 1850 mètres, ou 151 millimètres de pente par mètre; tandis qu'entre ce même point et l'extrémité ouest, il y a 333"", 36 de dénivellation sur 1540 mètres, soit 216 millimètres.
On a profité de cette disposition naturelle et d'un étranglement de la couche qui existe à 120 mètres à l'est du puits 13, pour diviser le bassin du Creuzot, sous le rapport de l'épuisement des eaux, en deux parties : le bassin supérieur ou du puits 1 3 et le bassin inférieur ou du puits Mamby.
Il part de l'extrémité ouest et s'arrête à une ligne d'investison située à 120 mètres à l'est du puits XIII . Cette investison n'est complète que lorsque les eaux
* Ce repère général est à SeC^^C-i au-dessus du niveau de la mer.
APPAREILS d'eXHAURE. 67
ne s'élèvent pas à plus de 7 mètres au-dessus du sol des réservoirs. Si, par suite d*un accident grave à la pompe ou de crues extraordinaires, l'eau dépasse ce niveau, elle franchit sa digue et s'écoule sur le bassin inférieur. Ce district donne en moyenne 276000 mètres cubes d'eau par année, avec des jours de 3200 à 3600 mètres cubes.
Il est desservi par une machine de 100 chevaux à balancier, à haute pression et à condensation. Sa course est de 2", 37, et la pompe 50 centimètres de diamètre. Elle prend l'eau à 102 mètres et l'amène au jour avec une pompe élévatoire et une seule foulante.
Jusqu'au 15 décembre dernier, ce bassin était limité à l'est par un réservoir situé à 244 mètres, et à l'est duquel une investison de 50 mètres a été laissée. Il va des puits guidés Saint-Pierre et Saint-Paul au puits Mamby, sur lequel se trouve une machine d'exhaure de 150 chevaux, de même système que celle du puits XIII, mais sans condensation. Sa course est de 2", 37, elle donne sept coups par minute, et les pompes ont 50 centimètres de diamètre. Trois foulantes et deux élevatoires élèvent les eaux de 244 mètres.
Quoique le bassin hydrographique desservi par cette pompe soit relativement faible, il n'est pas moins trèsmouillé, parce qu'il comprend l'usine, dont les services nécessitent un mouvement d'eau très-considérable. Les fissures causées par l'exploitation souterraine y introduisent rapidement et constamment une quantité d'eau importante.
Ainsi, annuellement, on a à élever au jour 712 000 mètres cubes en moyenne, avec des jours de 2 600 à 2 800 mètres cubes. La pompe Mamby n'en pouvant
68 l'industrie houillère en 1869.
extraire que 545 000, il restait 167000 mètres cubes à élever par les deux grands puits guidés, déjà très-chargés, au détriment de Textraction et des remblais.
Quoique les travaux de la houillère ne soient encore qu'à 233 mètres et que le charbon ait été reconnu à 520 mètres, on avait été obligé d'ouvrir un étage à 260 mètres à l'est de l'investison, pour fournir une qualité de houille spéciale. On ne pouvait donc s'étendre que vers l'est. De plus, le puits Mamby, après avoir traversé la couche, avait atteint le terrain de transition et laissait encore 276 mètres de couche vierge à exploiter en aval pendage, et presque partout en contact avec la grauwacke; celle-ci, très-fortement relevée au fond et par conséquent brisée, peut donner passage à de très-grandes quantités d'eau, comme cela est arrivé en 1858 au puits de la Glacière \
Il fallait donc créer un moyen d'épuisement au point le plus profond du bassin, et qui pût suffire aux exigences actuelles : permettre le développement des travaux en direction et en profondeur, en toute sécurité; parer à toutes les augmentations d'eau qui peuvent se produire dans les conditions spéciales du gisement du Creuzot, et fournir la marche la plus économique pendant une période de cinquante ans, puisque toutes les qualités de combustible y ont leur emploi, soit pour l'usine, soit pour la population.
C'est en plaçant à l'orifice du puits Saint-Laurent, qui a 420 mètres de profondeur et 3°", 70 de diamètre, une machine de Woolf à deux cylindres, conduisant cinq pompes de 50 centimètres de diamètre et 4 mètres
* Source donnant i 257 mètres cubes d'eau par vingt-quatre heures, rencontrée en plein terrain de transition.
APPAREILS d'eXHAURE. 69
de course, qu'on aura réalisé toutes les conditions énumérées précédemment.
Ce puits, d'abord moyen de recherche, après avoir, par ses découvertes, presque doublé la richesse de la houillère du Creuzot, a été utilisé et destiné uniquement à l'exhaure futur de toutes les eaux du bassin inférieur de la mine .
Il a traversé 293'",50 de grès bigarré solide, 36",41 de grès bigarré brisé, soit jusqu'à 329", 91, où il est entré dans le terrain houiller; puis 17", 91 de terrain houiller brisé.
Enfin la grauwacke, qui sert de base au terrain houiller, a été rencontrée à 41 7", 64 de l'orifice des puits.
Toute la partie solide des grès bigarrés n'est pas maçonnée, mais la hauteur de 54 mètres correspondant à la faille et aux terrains brisés a été revêtue d'une maçonnerie de briques de 50 centimètres d'épaisseur, en matériaux de premier choix. Le reste du muraillement jusqu'à la grauwacke n'a que 25 centimètres d'épaisseur.
Cette inégalité dans la solidité des parois a obligé, comme on le verra plus loin, à donner aux jeux des pompes foulantes des hauteurs différentes. On ne pourrait, en effet, placer des sommiers dans les parties des terrains bouleversées par la faille.
Ces données étant posées, la machine a été construite dans les conditions suivantes, qui nous sont communiquées par M. Mathieu, ingénieur en chef des ateliers. Ces conditions se trouvent expliquées par les planches III, IV, V, VI, VII et VIII.
Machine à deux cylindres, dite de Woolf, à traction direete, simple effet, délente variable et condensation.
70 l'industrie houillère en 1869.
Profondeur de répuisement, 420 mètres.
Quantité d'eau à extraire par heure, 150 mètres cubes.
Pompes élévatoires placées au fond du puits et pompes foulantes étagées dans le puits.
Chaudières cylindriques à bouilleurs avec réchauffeur d'alimentation et réservoir de vapeur surchauffé.
Timbre des chaudières : 5 K.
Quantité d'eau à élever par seconde à la hauteur de
ot)UU
Travail utile en eau montée,
Renden^ent supposé des pompes, 95 pour 100.
Travail utile produit par les pompes,
Effet utile de la machine, 245,65x1,22=300 chevaux.
Base des calculs des cylindres. — Course du piston du cylindre d'expansion et des pistons des pompes, 4 mètres.
Nombre de coups par minute, 3 1/2.
Course du piston du cylindre d'admission, 2 mètres.
Rapport des volumes des deux cylindres, 4.
Admission pendant toute la durée dans le petit cylindre et détente pendant toute la course dans le grand.
fin Durée d'un coup de piston, — = 17 secondes.
Soit : durée de la levée, 4 secondes; durée de la chute, 8 secondes; repos, 5 secondes.
Vitesse moyenne du grand piston par seconde à la chute, 50 centimètres.
Vitesse moyenne du grand piston par seconde à Tascension, 1 mètre.
APPAREILS d'eXHAURE. 71
Vitesse moyenne du grand piston par seconde, en supposant que la machine travaille sans repos pendant une minute,
■ ^^ ^^=233 millimètres.
Rapport du volume de vapeur admis au volume détendu, 4. Soit : détente au quart du volume du grand cylindre. Pression initiale sous le petit piston, 4<>^'n,25. D'après Claudel, le travail produit sous les pistons est représenté par
Tm = vhk U + log g] X 2,3026 - J^ X jj ;
Tm = 300x 0,075=22 500 K. M.; k =0,75; A =43»,9; K =2 mètres;
log de 4= 0,602.
Remplaçant les lettres par les valeurs dans la formule, on a :
22500=yx43,9x0,75x(l+(0,602x2,3026)-j|^x4];
d'où V = 0-»,308,
et diamètre du grand cylindre, 2'",600; — du petit cylindre, 1",850.
L'introduction dans le cylindre d'admission peut varier entre les 70 centièmes cl toute la course du piston, suivant le degré de tension de la vapeur en pression initiale sous le petit piston.
Pompes. — Il est établi au fond du puits un jeu double de pompes élévatoires élevant Teau à la hauteur de 20 mètres et audessus, cinq jeux de pompes foulantes élevant Teau chacun à une hauteur moyenne de 80 mètres.
Diamëlre des pompes élévatoires 0>n,38
Diamëlre des plougeurs des pompes foulantes 0°^.50
Course commune aux deux systèmes de pompes ...... 4n^00
Diamètre des colonnes ascensionnelles 0in,50
72 l'industrie houillère en 1869.
Résistance totale k vaincre pendant la chute pour le refoulement de l'eau dans les conduits et les résistances provenant des guidages des maîtresses tiges 88000 kil.
Poids total des maîtresses tiges des plongeurs avec leurs attaches, des diverses pièces de machines rapportées au centre des pompes et de l'eau dans les colonnes des pompes élévatoires.; 148000, —
Deux pompes d'équilibre, placées aux étages supérieurs dans le puits, et un contre-poids appliqué sur le balancier à Textrémité opposée aux pompes, ont pour but de contre-balancer la différence entre le poids total ci-dessus et la résistance au refoulement de l'eau.
Pression totale exercée sous les deux plongeurs d'équilibre. . 34000 kil. Contre-poids du balancier 26000 -^
Total 60000 kil.
Soit, pour l'équilibre des masses,
Masses mises en mouvement,
148000 + 26000 — 7000 = 167000 kil.
Chaudières. — Appareil évaporatoire composé de quatre groupes de deux corps de chaudières chacun.
Six chaudières seulement sont en fonction et deux en réserve pour rechange.
Surface de chauffe totale de six corps de chaudières avec les bouilleurs, 360»* ;
Soit : surface par cheval nominal, ^^r^r = 1«*,2.
Surface de grille pour six corps de chaudières, 12 met. carrés. Section de la chaudière à Torifice, 2 mètres carrés. Hauteur de la cheminée, 55 mètres.
Treuil de service. — Machine verticale à deux cylindres, détente fixe, sans condensation, transmission par engrenages et tambours à câbles plats.
Puissance effective maxima, 50 chevaux.
Résistance maxima à vaincre, les charges étant à la profondeur de 400 mètres, c'est-à-dire au niveau du dernier jeu foulwt^
APPARPILS D*EXHAURE, 79
Corps de poiapç . 650Qkil.
Gros câble 4000 —
Pelit câble 3000 —
Amarrages 500 —
Total 1400Qkil.
Diamëtre des cylindres QF"i40
Course des pistons . 0>n,5i^
Nombre de tours moyen de la inacbinepar minute 50
{(ombre de tours des bobines à 50 tours de machine . , . . 1,68
Vitesse moyenne ^iscensionneUe des câbles par seconde. . • O^^SO
Un frein à vapeur agissant directement sur Tarbre des bobines est susceptible çlo tepir en suspension les plus lourdes charges à un étage quelconque du puits.
Le montage de cette machine et de ses chaudières^ commencé
le 88 mai 1868, a été terminé le \" septembre suivant, soit en
troi^ mo|s.
En partant du jour, profondeur totale du puits, 420 mètres ^
(l'eau e$\ abandonnée par la poulpe à ^■"yOO au-dessus de Po-
riQce.
(ie dessus d^ pr^îer sommier du premier jeu fotiUnt est V . 92^,32
Le dessus du second sommier S5°^,54
Le dessus du troisième sommier 85^,54
Le dessus du quatrième sommier^ dont la position est forcée à
cause de la faille 85i»,54
Le dessus du cinquième sommier 46^^,54
Total de la hauteur occupée par les cinq jeux foulants. . . 593>»,48 Deux pompes élévatoires, depuis l'extrémité inférieure des as-
|i|rai^ts iusq^'an-dess^s du cinquième sonuiûer âi™,!!
Puisard pour recevoir les boues, etc 1^,51
Total égal 418d>,10
La maîtresse tige, composée de deux longrines jumelles jusqu'à la profondeur de 356»,49, est établie avec des pièces dont les dimensions sont les suivantes :
Chêne d'Amérique.. . .
Sap^n du ^w^ ou de Ri^
• • Met <W«
t^i iwoa «
ii«n,9no
Par rapport s\u niveau de i^ mer^ 3^9^,^.
74 l'industrie houillère en 1869.
Le travail à la tôle de la maîtresse tige est de 48*^,72 par centimètre carré de section.
Pour vider le pails et le réservoir, poser le gabarit du jour,
faire tous les préparatifs avant l'attaque des trous de moïses. 44 j'*
Exécution de tous les emplacements nécessaires à Tencastre-
ment des moises, des sommiers, elc. ^ 144 j^>
Visites des parois du puits et réparations d*une petite conduite d'eau 7 —
Tons ces travaux ont été exécutés avec la machine de 40 chevaux qui avait servi au fonçage.
Montage du treuil à vapeur sur poutres en fer 53 —
Épuisement de l'eau accumulée dans le puits durant l'exécution des encastrements, curage du puisard et réparations
diverses 33 —
Montage des pompes, moins la maîtresse lige • 105 —
Pose de la maltresse tige 49 —
Pour vider le puits, depuis 331 mëtres jusqu'au fond 10—
Totaux 351j" 94j
Le montage des pompes au moyen du treuil, malgré les charges de 6 500 kilogrammes à descendre à une grande profondeur, s'est fait avec une très grande facilité et avec une précision de manœuvres telle, qu'on n'a eu à déplorer aucune blessure, même la plus légère.
Le 15 décembre 1868, à dix heures du matin, la vapeur était mise sous les pistons et la pompe s'élevait. Une heure plus tard, Teau arrivait au jour.
Ce grand appareil marche sans bruit, sans choc, ni au jour ni dans le puils; il n'y a aucun de ces coups de vapeur qui au départ ébranlent toutes les masses et sont si nuisibles aux maîtresses tiges.
La consommation de charbon en première qualité est de 1^70 par heure et par cheval utile.
Tel est Tensemble de cette grande construction, la seule encore de ce genre en France, et qui assure à Texploitation de toutes les richesses connues de la houillère du Creuzot une marche régulière, économique et sûre.
^ Les encastrements dans les grès bigari*és sont très-longs à faire, à cause de la dureté. Tout le travail a été fait à la pointerolle, excepté pour remplacement des sommiers, où Ton a fait des petits coups de mine.
APPAREILS d'eXHAURB. 75
Hacbtiies à double ettéi. — Hacbiiie tntértenre
de montcean-les-ifltiies.
Il résulte de ce qui précède que des machines d'exhaure établies pour élever des quantités d'eau de 3000 à 4000 mètres cubes par jour, de profondeurs de 300 à 400 mètres (problème qui se trouve souvent posé dans les mines actuelles), il faut mettre en mouvement des maîtresses tiges de 200000 à 300000 kilogrammes, si la détente se fait dans le môme cylindre.
Si la détente se fait par le système de Woolf, le poids des tiges et pistons s'élèvera encore à plus de 1 30000 kilogrammes, tout en supprimant les masses additionnelles et réduisant les dimensions des tiges au strict nécessaire.
Une modification importante, appliquée à plusieurs machines du bassin de la Ruhr, consiste, en conservant le mouvement rectiligne sans rotation, à employer la vapeur à double effet, de manière à faire travailler la maîtresse tige dans les deux sens. Ces tiges rigides sont en fer, elles sont creuses et composées de différents fers profilés rivés entre eux et assemblés bout à bout, tous les 10 à 13 mètres, par des éclisses.
Le poids des tiges est habituellement égal à la moitié du poids de la colonne d'eau à soulever; le surplus est fourni par la pression de la vapeur. Dans ce système, la vapeur presse sur la tige; ce que l'on avait toujours évité par crainte de flexion et de rupture. Une expérience assez prolongée a démontré que ces sortes de maîtresses tiges pouvaient travailler avec sécurité dans les deux sens, grâce à leur forme et à un guidage parfait qui a lieu de 20 mètres en 20 mètres.
76 l'industrie HOUÎLLÈhE EN 1869.
M. Colson, ingénieur des ateliers de Haine-Saint- Pierre, auquel on doit de nombreux perfectionnements du matériel des houillères, a fait plusieurs applications de machines de rotation pour Texhaure.
Ces machines^ à double effet et à grande détente^ donnent le mouvement alternatif à un balancier auquel est suspendue d'un côté la maîtresse tige et de l'autre les contre-poids nécessaires à l'équilibre <
Cet équilibre est réglé de telle sorte que la tige travaille autant par la traction de son mouvement ascendant que par la pression de la descente, de manière que la machine ait à exercer le même effort dans les deux sens.
Les avantages de oe système sont d'obtenir Une marche plus régulière, en évitant les chocs; de donner à la détente tout le développement possible, de manière à obtenir le maximum d'économie; enfin de réduire les poids des masses mises en mouvement et de réduire en même temps les frais d'établissement;
Ce système, d'abord expérimenté pour des forces de 100 chevaux, a été récemment adopté par les ateliers de Seraing pour la construction d'une machine A& 400 chevaux destinée aux mineë de Bleiberg.
On voit, par ces divers exemples, que les machines à simple effet commencent à être l'objet d'une réaction sensible.
Le problème de la transformation de la grande machine d'exhaure a été abordé d'une manière plus radicale à Montceau-les-Mines par l'établissement, dans l'intérieur même des travaux, de machines refoulant d'un seul jet les eaux jusqu'à la surface.
APPAREILS d'EXHAURÉ. tt
Aprèâ deux applications de machines intérieures, établies dans les travaux souterrains à des profondeurs de lOO et de 150 mètres, oti a pris le parti d'établir, pour le groupe dit du MontceaUy une machine intérieure capable de prendre les eaux rassemblées à 330 mètres de profondeut et de les refouler jusqu'au jour, du niveau d'environ 300 mètres oii elles sont montées par des pompes élévatoires.
Ce projet était sans précédent; mais les ingénieurs de Mbntceau-les-Mines, familiarisés avec les grandes jji'fessibns par les ateliers de houilles agglomérées aveb presses hydrauliques travaillant jusqu'à 600 atmosphères, n'ont t)ai3 hésité à le réaliser. M. Audemar, ingénieur des ateliers du Montceau, a dessiné et exécuté cette msîchine, qui est actuellement en montage et dont le succès est gàraùti par une étude qui à porté jusque slit lès J)lud petits détails.
Les pldîlches IX, X et XI indiquent toutes les dispositions d'ensemble.
La machine est établie dans une chambre voûtée comnitirliquant avec une autre chambre qui sert de réservoir ptiùr la réception et l'épuration des eaux. La figure 1, pli. X, indique les dispositions et les dimensions de ces chambres, qui ont été creusées dans les roches du mur dé la couche.
La construction de pompes refoulant directement les eaux dans une colonne de 300 mètres présentait deux difficultés principales : les joints et les soupapes.
Les joints fixes, comme ceux des tuyaux, sont faits avec des rondelles de cuir emprisonnées. Ces joints ont été jugés les plus faciles à faire et les plus sûr^ pour
78 l'industrie houillère en 1869.
soutenir les pressions d'eau froide. Des expériences faites sur les pièces des plus grands diamètres de cette machine, 50 et 60 centimètres, ont démontré que ces joints résistaient facilement à des pressions de plus de 100 atmosphères.
Pour les pistons plongeurs, c'est-à-dire pour les joints des parties mobiles, la solution était beaucoup plus difficile.
La garniture des stuffing-box a fait de très-grands progrès par l'introduction de bagues en caoutchouc. On pouvait donc employer ce moyen. On donna la préférence aux cuirs emboutis, dont on avait l'expérience pratique sous des pressions qui vont jusqu'à 600 atmosphères avec des pistons de 41 centimètres de diamètre.
Les cuirs emboutis employés sur les surfaces lisses et d'un facile entretien, qu'on peut obtenir avec le bronze, non-seulement déterminent des joints parfaits, mais des joints plus durables que ceux qui peuvent être obtenus par le serrage des stuffing-box.
Pour assurer le succès de ces joints, le diamètre des pompes a été calculé de telle sorte que leur vitesse normale ne dépasse pas sensiblement la vitesse imprimée aux pistons compresseurs des presses hydrauliques agissant à 600 atmosphères, et reste bien au-dessous de celle qui est imprimée aux pistons des accumulateurs de pression agissant sous une pression de 45 atmosphères.
La construction des clapets présentait plus de difficultés.
Ces clapets doivent en effet être soumis à des pressions de 30 atmosphères, plus le surcroit de pression à exercer pour soulever les clapets de refoulement.
APPAREILS d'eXHAURE. 79
Si Ton admet le rapport précité pour les clapets de refoulement du Grand-Homu, 1 : 1,40, la pression serait de 42 atmosphères; mais, comme il faut que les surfaces de recouvrement des clapets, pour que la battue résiste à Técrasement, soient d'autant plus grandes que la pression est plus considérable, ce chiffre de 42 atmosphères ne serait même pas suffisant.
Supposons, par exemple, une zone de recouvrement ou battue de 30 millimètres sur des soupapes en bronze de 240 millimètres de diamètre intérieur. Cette zone aurait à supporter 835 grammes par millimètre carré, pression qui en peu de temps déterminerait l'écrasement du bronze; et cependant la pression à exercer dans le corps de pompe pour soulever cette soupape serait encore de 47 atmosphères.
D'oii Ton peut conclure que des soupapes en bronze de 240 millimètres de diamètre intérieur devraient avoir un peu plus de 3 centimètres de recouvrement et exigeraient 50 atmosphères de pression pour être soulevées.
Cette différence de 20 atmosphères nécessaire pour soulever les clapets de refoulement représente-t-elle un travail réel? Le temps nécessaire pour qu'une soupape quitte son siège est extrêmement court, il n'y a réellement pas de chemin parcouru par les pistons sous cette pression. C'est donc un choc plutôt qu'un travail susceptible d'être apprécié et calculé.
Cependant il ne faut pas se dissimuler que ces chocs ne soient des éléments très-actifs de destruction des joints et des soupapes elles-mêmes, et M. Audemar se décida à les faire exécuter en acier fondu.
L'emploi de l'acier fondu et forgé permet en effet de
80 l'industrie houillère en 1869.
i'édùii'è la largèiit de la i:one de battue, sa résistance à récrasënlfeiit êtaùt bîeli pitis Cbnsidérdble que celle dii bronze.
Ainsi uiie zoiie de bdttufe de 1 centimètre de largeur aui*a à sujjportëp 1*,9T par millimètre carré et pouri^ait en feùpporter 3. Or, aveë cette battue réduite et la pression de 30 atmbfeJiHèréfe, lë clapet sera soulevé jjar une prëssioil de 35 atmosphères dans lë corps de pdilipë.
Là difféteiibë de 5 atmospbèreis lie peut plus déterminei» cjùe àeh chocs de petl d'ifaiportance. M. Audëmar peiiisë d'ailleurs que cette Éône de 1 fcetitimètre serait encore trop large, et il a fait construire la battue bombée de telle sorte que le fclapet ne pose ôtir soîl siège que par une seule ligné. Le forgeagé dil métal détëririiliëra lùi-ffiêttlë là zone de battue striëtëment iléoësëairë.
Les coùditions générales de rétablissement de cette iïlachine sont ihdit[uéès par leô planches IX, X et XL Les conditions de détail sont précisées par les doliilêes ôtlitailtes :
Diamèlre des pistons foulants ....:. 210 inillimètres
Course des pistons foulants l'^ilO
Nombre de pistons foulants 4
— de tours de la machine parnainute. 18
— de coups de pistons foulants id. 72 Volume théorique d'un Corps de piston foulant. îi8»'SiOO
Volumô théorique total refoulé par seconde . 45"*, 720
— — par heure 164 592 litres
— — par vingt heures. ... 32 920 hectolitres
— pratique parjournée de vingt heur. 32000 — Hauteur verticale des jeux foulants. . . . 300 mètres
Hauteur vertiéale des jeux élévatdirës. ; ; 30 tiihitè^
— totale à élever l'éau ; . 330 —
Diamètre des pistons élévatoires 320 miliîmèti'es
Course des pistons élérâtoii^eâ (tàridblb): ; 6^ M 9 l^,ld Volume théorique élevé par seconde. . . . 46"S^^ ^ 5^ lilt^^S Nombre de pistons éléVàttiirëk .;.;•• 2
— de coups de pistons élévatoires par minute 36
Diamètre des conduites foulantes 200 millimètres
— — élévatdirës s : ; : 948 "
Longueur dévelbi^t^ëe des eotidttilds foulantes ..;......::;..; 340 mètres
Longueur développée dëâ béUdiiilëà élfiVâtoires.. . . ; 55 —
Epaisseur des conduites refoulantes.
Epaisseur à 300 mètres. ..;,;... 35 millimètres
— au jour 16 —
Nombre de joints de compensatiaa ; . ; . 2
Diamètre des pistons à vapeur 850 millimètres
Nombre de pistons à vapeur 3
Angle de calage des manivelles. . .... 90 degrés
Course des pistons à vapeur. I^^.IO
Détente fixe l/2'
Travail utile en eau montée ^OfcKèvaiix
— de frottement de l'eau 4<*û^3S
— brut de la machine 325 chevàiix
Coefficient de rendement adopté 0,65
VolûBie M vÀpëdf (théorique) par geeonde. 368^tS88
— des espaces nuisibles. « .... ; 19^*^51
— dépensé pftir seconde 388**S-43
Pression de la vapeur pendant Tadmission. 4«*",75
Pression de la vapeur nécessaire aux chaudières 5«*»,80
Perte de pression due aux étranglements»
orifices, etc 0«*%50
Perte de pression par les frottements de la colonne 0*tm,55
Timbre des chaudières 7 atmosphères
Poids de la vapeur dispensée par seconde. • 955 grammes Pression effective pendant Tadmission. • . 3"", 75
— — à la fin de la dolcnle.. . l«i'",45
— moyenne effective par centimètre carré 3M42
Pression moyenne sur le piston à vapeur. . 17600 kilogrammes
Poids de vapeur dépensée par heure.. • • 3436 —
— condensée dans les conduites par heure 410 —
Poids total de vapeur à produire par heure. 3846 —
Poids de charbon brûlé par heure 600 —
— par cheval utile et par heure 2^900
Vitesse moyenne du piston à vapeur. ... 66 centimètres
— — des pistons foulants. . . 66 —
— — des pistons élévatoires. • 66 —
Diamètre du volant 6 mètres
Poids du volant et des contre- poids des
pompes élévatoires 12000 kilogrammes
Vitesse moyenne de la couronne du volant. 4"", 90
Vitesse maxima — — . S^.S
Vitesse minima — — . 4"», 72
Variation possible de vitesse 7 pour 100
Dimension des orifices d'admission de vapeur 1/20delasurf.dupist.
Diamètre des conduites de vapeur 200 millimètres
Epaisseur — — 20 —
APPAREILS d'eXHAURE. 83
Longueur développée des conduites de vapeur 365 mètres
Nombre de joints de dilatation 7
Diamètre des soupapes des jeux flottants. • 250 millimètres
Levée de ces soupapes 20 —
Poids des soupapes des jeux flottants.. • . 21 kilogrammes
Vitesses de l'eau aux différe^its passages.
Moyenne. Haxlma.
Dans les conduites élévatoires (mouvements alternatifs) 0»,52 0«,81
A travers lés orifices des pistons élévatoires (mouvements alternatifs) 1",75 2'",72
Dans les corps de pompos élévatoires (mouvements alternatifs) 0°,66 1",035
Dans les tuyaux conduisant aux jeux foulants (mouvements alternatifs) 0°,46 0".73
Près des soupapes d'aspiration (mouv. ait.). 0™,11 0",18
Au passage des soupapes d aspiration (constante) 2",75
Dans les corps de pompe toulauts (mouvements alternatifs) 0'",55 0"^,86
Au passage des soupapes do refoulement (constante) 2",75
Entre les pompes et le réservoir d*air (mouvements alternatifs) 0",55 0",86
Dans la colonne du réservoir d'air (mouvement continu) 0»^,935
Dans les colonnes ascendantes de refoulement de Teau jusqu'au jour (mouvement continu) 1°,46
Pression sur les soupapes de refoulement.. 30kil. par cent, carré
Pression dans le corps de pompe pour la levée des soupapes.
Les soupapes étant neuves 32 kil. par cent, carré
— à demi usées.. .' 35 kilogrammes
— usées 38 —
84 l'industrie houillère en 1869.
Pression par millimètre carré du métal des soupapes sur leur siège.
Les soupapes étant neuTes 3^§0
Les soupapes étant à demi osées B^,02
— étant usées ...•*... 11^,41
Volumes fosmant réserToir d'air de refoulement t • • • 1°S980
Volume d'air à la pression de 300 mètres
d*eatt ••.••..,.. 66 U(r««
