CHAPITRE ni

LES NOUVELLES MACHINES MOTRICES A VAPEUR (jIACHl?<ES fixes;. — LA MACHINE WEYHER ET RICHEMOND. — LE TIROIR FARCOT. — LA MACHINE CORLISS. — LES MACHINES WHEELOOK, CAIL, FARCOT. — LA MACHINE CORLISS, DU CREUSOT.

On a vu, dans les deux premiers chapitres de cette Notice, comment les constrvicteurs sontarrivés, depuisl'année 1870, àproduire économiquement de la vapeur, avec des chaudièresperfectionnées. Nous avons à étudier maintenant les organes à l'aide desquels on transforme la force vive de cette vapeur en travail mécanique, c'est-à-dire les nouvelles machines à vapeur, dites à grande détente.

Pour bien expliquer le mécanisme et les avantages des nouvelles machines à vapeur, il faut invoquer des principes de physique assez délicats. D'un autre côté, les organes qui les composent sont compliqués. Nous sommes donc obligé de demander au lecteur toute son attention, pour les descriptions qui vont suivre. Il est bien entendu que l'on devra se reporter, pour la connaissance générale des organes de la machine à vapeur, à la Notice des Merveilles de la science, consacrée à ce sujet (1).

Il résulte des lois de la thermodynamique ^ que le rendement calorifique d'une machine à vapeur est d'autant meilleur que la pression de la vapeur, à son entrée dans le cylindre, est plus considérable, et que hi détente, c'est-à-dire son expansion dans le vide, est plus grande.

On est, malheureusement, limité dans

(1) La Machine à vapeur, t. I, p. 133 et suivantes.

l'emploi de la pression et de la détente.

D'abord, on ne saurait accroître indéfiniment la pression de la vapeur. Non qu'on ne puisse construire des chaudières et des machines capables de résister à de très fortes pressions , mais parce que la température de la vapeur s'élevant, en même temps que la pression, les corps gras employés pour la lubrification des organes sont brûlés, décomposés; ce qui rend le fonctionnement impossible.

Les grandes détentes de la vapeur, c'est-àdire son expansion à vingt-cinq et trente fois son volume, sont également désavantageuses, dans les machines à un seul cylindre, à cause des condensations de vapeur qui se font sur les parois des cylindres.

On démontre, dans les Traités spéciaux, que le moyen de réaliser le maximum d'économie, dans les machines à un seul cylindre, consiste à introduire la vapeur à une pression de 6 kilogrammes, et à la faire se détendre de neuf à neuf fois et demie son volume.

Une détente aussi considérable ne pou-

vait être réalisée avec les anciens tiroirs des machines à vapeur. Il a donc fallu modifier profondément leur mécanisme, pour parvenir à pousser la détente de la vapeur à son degré extrême.

On avait fait, jusqu'à l'année 1870, beaucoup de tentatives pour réaliser en pratique les grandes détentes de la vapeur, et les résultats obtenus étaient encourageants.

C'est ainsi que MM. Weylier et Richemond, les savants ingénieurs de l'usine de Pantin, avaient construit des machines à détente parfaitement combinées, et qui procurent une grande économie de vapeur.

La machine de MM . Weyher et Richemond , qui est encore en usage dans nombre d'usines, mérite, pour cette raison, d'être décrite d'une façon particulière. Elle donne d'excellents résultats, avec une distribution très simple, et nous servira d'introduction à l'étude des machines à grande détente.

La figure 23 donne une coupe horizon-

SUPPLÉMENT A LA MACHINE A VAPEUR

l'ig. 24. — Coupe du tiroir Farcot.

taie de cette machine par l'axe du cylindre et du tiroir. A est le cylindre à vapeur, B, le tiroir conduit par un excentrique, suivant le mode ordinaire et portant sa plaque de détente; C est le condenseur, et la pompe à air. La tige du piston conduit une bielle qui attaque l'arbx'e, XY, au moyen de la manivelle, M. L'arbre de couche reçoit deux poulies-volants, W.

Toutes ces pièces sont semblables aux pièces correspondantes de la machine de Watt et de la machine horizontale, que nous avons décrites dans \qs Menjeilles de la science (1).

(1^ Tome 1", pages 128, 129.

Un pei'fectionnement important fut apporté au mode de distribution de la vapeur par la création du tiroir dit tiroir Farcot, du nom de son inventeur, l'éminent ingénieur de l'usine de Saint-Uuen.

La figure 24 représente ce tiroir, qui est destiné à remplacer l'ancien tiroir à coquille, dont il diffère considérablement.

Les canaux d'admission de la vapeur, aa, ont pris un élargissement considérable vers la face supérieure du tiroir, où ils débouchent par plusieurs orifices. Deux plaques mobiles, percées d'ouvertures, qui peuvent coïncider exactement avec celles du tiroir, sont appliquées sur cette face, et y sont maintenues par la pression de la va-

peur et par quatre ressorts. Quand les orifices de la plaque coïncident avec ceux du tiroir, la vapeur pénètre dans le canal d'admission. Si, par un moyen quelconque, on place la glissière de manière que ses parties ne viennent plus correspondre aux ouvertures du tiroir, l'admission cesse.

Ces plaques mobiles sont simplement posées sur le tiroir, qui les entraine dans son mouvement. Elles sont indépendantes l'une de l'autre, et portent chacune deux butoirs, e et h.

Le butoir e venant frapper contre la came, /, produit l'arrêt de la plaque, et par suite, la fermeture des orifices, tandis que le tiroir continue encore sa course.

Dans sa marche rétrograde le deuxième butoir, A, vient rencontrer l'arrêt, /t, et ramène la plaque dans sa position primitive. Les orifices sont ouverts à nouveau.

La came, /, est montée sur un axe qui peut être mu par le régulateur. Les plaques sont à plusieurs orifices, de manière à avoir une course réduite.

Il faut déterminer la position pour laquelle les plaques doivent fermer les orifices pour une détente déterminée, ce qui revient à déterminer la longueur des butoirs, mais il est préférable de faire varier la longueur de la came.

Dans la détente Farcot, le tiroir proprement dit a un recoiivrement très faible, juste ce qui est nécessaire pour éviter les fuites qui se produiraient, et par suite la communication entre les deux côtés du piston.

Dans ces conditions, l'angle de calage est peu différent de 90% et l'introduction se fait pendant 0,90 ou 0,93 de la course.

On arrive à démontrer par l'épure de distribution de vapeur, que la détente maximum est de 0,5. Le tiroir même doit être établi pour la plus grande détente possible ; elle est de 3,3.

En combinant ces deux détentes, cet appareil donne de très bons résultats pour

des machines fonctionnant à des allures de 30 à 60 tours et à des détentes de 10.

Le tiroir Farcot donnait donc de bons résultats pour la production des grandes détentes de la vapeur. Cependant il ne fournissait pas l'entière solution du problème. C'est un constructeur américain, M. Corliss, qui est arrivé à produire, de la manière la plus remarquable, les grandes détentes de la vapeur, et la machine qu'il a créée est aujourd'hui répandue dans les deux mondes.

Comment le constructeur américain estil parvenu à produire, avec une grande économie et une grande sûreté, une détente excessive de la vapeur? En réussissant à obtenir une fermeture brusque des orifices d'admission de la vapeur, au moment même où l'on veut commencer à faire agir la détente. Cette fermeture, M. Corliss l'obtient au moyen d'un système de déclic et d'un ressort métallique,

La machine créée par M. Corliss (dont nous donnons une vue d'ensemble dans la figure 23) présente des dispositions caractéristiques que nous allons décrire, et que nous retrouverons plus tard dans tous les systèmes dérivés de ce bel appareil.

Cette machine, ainsi qu'on le voit, est horizontale .Elle se compose, comme les machines à vapeur horizontales, déjà décrites dans les Merveilles de la science^ des organes suivants :

1° Un cylindre, X, dans lequel se meut un piston. La vapeur arrivant de la chaudière par le tuyau supérieur, T, passe à travers une valve, V. Une manette commande le registre de cette valve, et permet de régler l'arrivée de la vapeur.

La vapeur se répand alors dans une boîte, hb, d'où des robinets la font passer dans le cylindre, pour la faire travailler sur chacune des faces du piston.

La vapeur, après s'être détendue, sort du cylindre par les robinets Q et Q' (fig. 26), et se rend au condenseur, qui est placé

SUPPLÉMENT A LA MACHINE A VAPEUR

au-dessous du cylindre, et qu'on ne voit pas j dans le sous-sol, au-dessous de la machine, dans la figure 25, parce qu'il est installé | A chaque extrémité du cylindre X, se trou-

vent deux orifices, l'un pour l'admission V Y' conduit n'est donc pas alternativement (fig. 26), comme nous ravonsdit,rautreQQ', chaufîé et refroidi par le passage de la vapour l'échappement de la vapeur. Le même peur avant et après son action, défaut qui,

dans les anciennes machines^ déterminait alternativement une perte de chaleur et un surcroît de contre-pression, et cela d'une façon d'autant plus marquée que la condensation était mieux opérée.

Les robinets distributeurs d'admission de vapeur, W (fig. 26), sont manœuvrés par déclic. Chacun, au lieu de recevoir, comme les distributeurs d'échappement, QQ', un mouvement continu, de la part de l'arbre du volant, P (fig. 25), est constamment soumis à l'action d'une force extérieure, qui est ici un ressort en acier, H (fig. 23 et 26). Ce ressort tend à pousser le robinet vers sa position de fermeture complète. Il n'est écarté de cette position, pour ainsi dire normale, que lorsque certaines pièces, commandées par l'arbre du volant, rencontrent, dans leur parcours, d'autres pièces reliées au distributeur, et les entraînent avec elles. La rencontre a lieu au commencement de chaque période d'admission.

La transmission du mouvement du piston à l'arbre moteur se fait comme dans les anciennes machines horizontales. Le piston porte une tige qu'actionne une bielle, b (fig. 25), et cette bielle fait tourner une manivelle fixée à l'arbre, P. Cet arbre, P, porte un excentrique e, qui imprime un mouvement d'oscillation à un plateau, A.

C'est ce plateau qui commande la distribution de la vapeur. Il est relié directement par des bielles, aux robinets d'échappement, QQ' (fig. 26), et par l'intermédiaire de ressorts H, H', et du sabre E, aux robinets d'admission YV.

Nous allons maintenant montrer en détail comment s'opère la détente de la machine Corliss, c'est-à-dire décrire la distribvition de la vapeur.

La distribution comporte quatre tiroirs, deux d'admission, W, et deux d'échappement, QQ', placés contre les cylindres, de manière à réduire le plus possible ce que

l'on nomme l'espace mort. La valeur de l'espace mort n'atteint ordinairement pas 2 p. 100 du volume du cylindre.

Au lieu d'avoir une surface plane de contact, les tiroirs étant animés d'un mouvement circulaire alternatif glissent sur une surface cylindrique. C'est ce qui leur donne l'apparence de robinets. Toutefois, dans les robinets, le contact est conique et maintenu par des écrous et des vis de rappel, tandis qu'ici c'est la pression de la vapeur qui applique le tiroir contre la surface métallique. De petits ressorts placés entre le fond et l'axe assurent le contact initial.

Voici comment fonctionnent ces tiroirs.

La tige / de l'excentrique est attelée au point A du plateau oscillant autour du point central, 0. L'amplitude de l'oscillation de ce plateau est égale à la course de l'excentrique. Tous les points du plateau auront, d'après un théorème de géométrie, la même oscillation angulaire.

Aux points B, C, B', C correspondent les distributeurs. La transmission au tiroir d'échappement est fort simple. Deux bielles CN, C'N actionnent directement les manivelles QN, Q'N', qui font osciller les tiroirs.

Quant à la transmission au tiroir d'admission, elle est plus compliquée.

Etudions d'abord la transmission ABK.

Elle se compose d'un balancier, DF, qui oscille autour du point D (cette pièce, à cause de sa forme, est appelée sabre). Le balancier actionne, par un butoir articulé, une tige III, laquelle est reliée, par la bielle IK, avec la manivelle du tiroir. La bielle et la tige sont reliées à un ressort appliqué derrière une nervure.

Sur la tige IH est fixé un piston qui se meut dans un petit cylindre. Ce cylindre est percé d'un petit trou qu'on peut fermer par un régulateur à vis. Quand le tiroir fonctionne pour ouvrir, le piston s'écarte du fond du cylindi'e, et l'air pénètre au-dessous.

SUPPLÉMENT A LA MACHINE A YAPEUR

Fig. 26. — Scliéma de la distribution de la vapeur daus la machioe Corllss.

Lors du rappel par le ressort, cet air est comprimé et expulsé. Mais son écoulement exige un certain temps, ce qui supprime le choc. Pour obtenir la détente à tel point que l'on veut, on n'a qu'à faire basculer la pièce PFQ que l'on appelle le doigt de détente. Le mouvement peut être donné à la main en réglant la position du couteau M, à l'aide de vis de pression. La position du couteau une fois réglée, son mouvement lui est alors donné par le régulateur qui règle ainsi la détente.

En effet, on conçoit que lorsque le doigt de détente, PFQ, rencontre le couteau M, celui-ci fait basculer le doigt de détente; le contact des pièces Q et H n'a plus lieu et le ressort ramène brusquement en arrière la tige HI ; par suite, le tiroir V est fermé brusquement.

Un régulateur à boules, m, m! (fig. 25), est mis en mouvement au moyen d'un engrenage d'angle, d'une poulie à gorge et d'une courroie de transmission, par l'arbre même de la machine. Suivant que la vitesse de la machine augmente ou diminue, les boules m, m! s'élèvent ou s'abaissent, les tiges t, t' suivent leur mouvement, et font varier, par suite, la position des couteaux ; la po-

sition de ces couteaux règle la détente.

Le régulateur en usage dans les machines Corliss est, on le voit, avec peu de changements, le régulateur de Watt, que nous avons longuement décrit dans notre Notice des Merveilles de la science.

Les avantages de la distribution de vapeur dans la machine Corliss sont :

1" De permettre la fermeture rapide des orifices d'admission, et d'éviter ainsi le laminage de la vapeur; car cette fermeture ne dépend que de l'énergie du ressort et de la grandeur de l'orifice d'évacuation d'air dans le cylindre V;

2° D'annuler presque complètement les espaces morts ;

3° La détente est rendue variable par le régulateur. En eflet, la puissance développée par la machine doit pouvoir varier dans de très grandes limites. Autrefois on agissait sur la valve d'arrivée de vapeur par le régulateur à boules, et on faisait ainsi varier la pression. Aujourd'hui on a abandonné ce procédé, qui ne pouvait, d'ailleurs, maintenir l'allure parfaitement constante. Au contraire, le pendule conique, en agissant sur la détente, maintient le

nombre de tours constant, car s'il y a une réduction dans la résistance, la machine s'accélère et soulève le pendule, lequel agit sur la détente et l'augmente. Au moment où l'allure est redevenue normale, le régulateur cesse d'agir sur la détente.

La forme des bâtis des machines Corliss est aussi caractéristique que la détente. Cette forme a- servi de modèle à toutes les autres machines conçues sur le même principe. Le bâti est une poutre métallique, venue de fonte avec le palier de l'arbre, et assemblée au cylindre de la machine par des boulons. Les avantages de cette disposition sont de donner plus de légèreté et plus de rigidité au bâti, de rendre le montage plus facile et de transmettre les efforts sans fatigue pour les maçonneries.

Nous avons maintenant à décrire la deuxième partie de la machine Corliss, c'est-à-dire le condenseur.

Nous renvoyons le lecteur, pour la description détaillée du condenseur des machines à

vapeur, en général, à la Notice des Merveilles de la science. En décrivant la machine de Watt, nous nous sommes étendu longuement sur le rôle du condenseur et sur les organes qui le composent (1). Nous ne reviendrons pas siu- cette description.

La figure 27 donne le dessin simplifié du condenseur de la machine Corliss, qui est placé au-dessous de la machine. La vapeur d'échappement s'y rend directement, à sa sortie du cylindre, par un tuyau, E. Elle se répand dans une capacité, C, à l'intérieur de laquelle un robinet verse continuellement une nappe d'eau froide. La vapeur se condense dans cet espace. Le mélange d'eau condensée et d'air sort par l'ouverture i. Aspirés, à travers les soupapes ss', par la pompe à air, P, l'air et l'eau sont refoulés, à travers les clapets tt\ dans une bâche, d'où ils s'écoulent à l'extérieur, par un tuyau de trop-plein.

La transmission de mouvement est donnée à la pompe à air, P, au moyen d'un levier

(1) Voir tome l^"", page 128, figure 68, pompe à air, etc.

SUPPLÉMENT A LA

MACHINE A VAPEUR

coudé, AB, dont une branche actionne la tige du piston de la pompe, et dont l'autre reçoit le mouvement d'une bielle, L, reliée elle-même à la manivelle, R,de la machine.

La machine Corliss que nous venons de décrire, inventée en Amérique vers 1862, se répandit très promptement dans son pays d'origine. Accueillie d'abord avec méfiance en Europe, à cause de la complication de son mécanisme, elle a fini par conquérir la première place, grâce à la perfection avec laquelle elle est construite. Elle est très économique, car dans le service courant elle ne consomme pas plus de 750 grammes de charbon, par cheval et par heure de travail.

La machine du constructeur américain, dont plusieurs constructeurs français, entre autres M. V. Brasseur, à Lille, et MM. Lccouteux et Garnier, à Paris, ont acquis le privilège, a été modifiée en Europe de bien des manières.

Les perfectionnements portent surtout sur l'emploi des ressorts. Les ressorts métalliques dont M. Corliss fait usage finissent par se détendre; leur fermeture est irrégulière, et s'ils ne sont pas bien surveillés, cette fermeture peut même être incomplète.

On n'a pas cet inconvénient en employant un ressort de vapeur, c'est-à-dire un piston, sur lequel agit la vapeur de la chaudière.

Telle est la meilleure méthode à suivre ; mais c'est la plus coûteuse, car la perte de vapeur qui en résulte est assez appréciable.

MACHINE WHEELOClv.

Une autre modification importante a été apportée à la machine Corliss par un constructeur anglais, M. Wheelock.

La machine Wheelock fit sa première apparition en France, à l'Exposition de 4878. Elle y fît grand bruit, à cause de la simplicité de son mécanisme, qui a l'avantage de commander en même temps l'ad-

Fig. 29. — Distribution de la vapeur dans la machine Wheelock.

mission et réchappement de la vapeur.

A chacun des orifices du cylindre, qui sont au nombre de deux, correspondent deux distributeurs, l'un servant à l'admission et à l'échappement (le la vapeur, l'autreà la détente.

Nous représentons, fig. 28, l'ensemble de la machine Wheelock, avec son condenseur.

Le système de déclenchement adopté par M. Wheelock se rattache au type Corliss, avec cette différence que la fourcheLte de déclic est retournée sens dessus dessous, l'ergot, ou came^ qui règle la détente, étant placé en dehoi's de la fourchette.

■ Les figures 29 et 30 représentent l'installation du déclic à l'extrémité gauche de la machine et une coupe correspondante du distributeur. A, et de la valve de détente, B.

Sur l'axe (fig. 29) du distributeur A est claveté un levier, E, qui reçoit un mouvement d'oscillation de la barre d'excentrique; c'est ce levier qui conduit le distributeur d'admission.

En dehors de la ligne médiane dudit levier se trouve vissé, en E, un tourillon, qui sert d'axe de rotation à la fourchette du déclic F, et au petit guide G, qui est aplati du côté de l'axe, afin qu'il puisse se

mouvoir dans une ouverture étroite pratiquée en F, dans l'épaisseur de la branche courbe de la fourchette. Au delà, le guide est cylindrique, glissant à frottement doux dans un dé d'acier placé derrière et formant douille ; ce guidage maintient constamment le dé dans la direction convenable pour que le déclic fonctionne régulièrement.

Le dé porte un tourillon mobile dans l'œil du levier H. Le bras supérieur de la fourchette est rectiligne, et il est armé d'une touche saillante, I, en acier, qui dans la position figurée se trouve en prise derrière l'arête du dé. Le contact des deux pièces est assuré par l'effet d'un contrepoids J, agissant au moyen du bras de levier K, faisant corps avec le levier H. C'est ce contrepoids qui produit la fermeture de la valve de détente B. Sur l'axe B de cette valve de détente est placé un levier L, mobile autour de l'axe ; la position de ce levier L est déterminée par le régulateur, au moyen d'une tringle, suivant le travail que la machine se trouve avoir à développer.

Le moyeu du levier L porte un ergot N, contre lequel vient buter, à chaque période de retour, la branche recourbée de la four-

SUPPLÉMENT A LA MACHINE A VAPEUR

chette ; celle-ci est alors soulevée, et la touche I cessant d'être en prise avec le dé, la liaison entre les leviers E et H est interrompue ; le contrepoids agit alors, et ferme instantanément la lumière de détente.

On voit sur la figure 30 la coupe transversale du distributeur A qui présente la plus grande analogie avecle tiroir plan ordinaire, dit à coquille^ et la coupe transversale de la valve de détente B. Ils fonctionnent absolument comme les tiroirs ordinaires des machines qui sont munies de deux distributeurs (système Saulnier, Meyer, etc.). En s'élevant, le distributeur A met en communication les deux lumièi'es 0, P, afin de produire l'échappement.

La valve B n'est, en réalité, qu'un tiroir de détente, analogue à la glissière des systèmes de détente par plaque mobile que nous venons de rappeler. Elle n'agit sur la marche de la machine qu'en arrêtant la vapeur pour produire la détente. Elle est construite selon le type ordinaire des distributeurs Corliss, sauf une petite différence : sa glace présente un évidement, qui sert à effectuer l'admission des deux côtés à la fois, comme l'indiquent les flèches (fig. 30). La vapeur arrive donc par un double orifice, ce qui permet de donner moins d'amplitude à l'oscillation de cette valve; et le fonctionnement y gagne en rapidité. Au moment de l'admission de la vapeur au cylindre, cette valve de détente se trouve déjà en partie ouverte, comme l'indique la fig. 30.

En Q, sur la tringle du régulateur (fig. 29), se trouve un ressort, dont la tension peut se modifier à la main, par un simple écrou; ce qui permet de régler d'une manière très simple la vitesse de la machine.

La machine Corliss modifiée par M. Wheelock, c'est-à-dire la macinne Wheelock, donne de très bons résultats. Sa construction est très simple. Comme la machine n'a qu'une seule lumière très courte à chaque extrémité du cylindre, l'espace nuisible

n'est que la moitié de celui des autres machines à déclic qui en ont deux. Les obturateurs, ou tiroirs, sont légèrement coniques, pour pouvoir en régler la pression contre la table des lumières. Ils sont équilibrés.

Fig. 30. — Coupe transversale du dislrilniteur de la vapeur et de la valve de détente dans la inacliiue Wheelock.

pendant la course presque entière, c'est-àdire que la vapeur ne les presse pas contre les tables des lumières. II en résulte que, par suite, une grande partie de la force employée pour les mouvoir est économisée, et que leur usure est très faible.

L'établissement de M. A. de Quillacq, à Anzin(Nord), construit spécialement la machine type Wheelock, par suite d'un traité passé avec l'inventeur, en 1885. L'établissement d'Anzin a construit de puissantes machines Wheelock pour l'arsenal de Lyon, pour la ville de Paris et pour les grandes industries du Nord. Il construit aussi le dernier système de M. Wheelock. à kroirs-'plaas équilibrés mus par le même mouvement de distribution que nous venons de décrire.