CHAPITRE V

LES MACHINES COMPOUND. — DESCRIPTION DE LA MACHINE DE WOOLF, QUI A SERVI DE POINT DE DEPART AUX MACHINES COMPOUND.

Les machines Corliss et Sulzer présentent les plus remarquables avantages, au point de vue de l'économie dans la dépense de la vapeur et du charbon brûlé; mais leur mécanisme est d'une complication extrême. Il faut des ouvriers spéciaux pour le réglage et la surveillance; et si la surveillance n'est pas journalière, la consommation de charbon augmente assez rapidement.

Les inconvénients des machines à un seul cylindre, c'est-à-dire des machines Corliss et Sulzer que nous venons de décrire, peuvent être ainsi résumés :

1° Les pièces nécessaires à la transformation du mouvement (tiges de piston, bielles, manivelles, arbres) doivent être calculées pour l'effort maximum qu'elles supportent. Or, cet effort est très différent de l'effort moyen, puisqu'on admet la vapeur à pleine pression sur la face du piston, et qu'on la laisse ensuite se détendre jusqu'à neuf fois son volume. On voit que l'effort initial sera neuf fois plus considérable que l'effort final. On est donc obligé de donner au piston et au cylindre des dimensions très considérables; par suite, il y a là une dépense de première installation, qui peut être très importante.

2° L'effort de la vapeur sur le piston étant très variable pendant la course, pour obtenir la régularité de mouvement qui est indispensable dans une usine, comme une filature, en est obligé d'avoir recours à des volants très lourds.

3° Les espaces morts jouant un rôle très important dans la consommation de vapeur, on arrive à une économie très grande, si la disposition adoptée permet de supprime!' l'influence des espaces morts. C'est préci-

SUPPLÉMENT A LA MACHINE A VAPEUR

iément le résultat qu'on obtient dans les majhiaes compound à réservoir intermédiaire.

4° Les fuites de vapeur qui peuvent se produire aux tiroirs, robinets, soupapes, it pistons, donnent une perte complète, lans les machines Corliss, puisque la vapeur jui passe ainsi se rend directement au con- Icnseur. Dans les machines à deux cylinires (Wolf et compound) la vapeur qui Dasse à travers les fuites du petit cylindre >e rend dans le grand cylindre, où elle lonnc son travail en se détendant. C'est là in avantage considérable.

Nous allons maintenant essayer de monrer qu'avec les machines se composant le deux cylindres, dans lesquels la vapeur se détend successivement, on peut obtenir Line détente beaucoup plus grande que dans ,es machines à un seul cylindre.

Dans les machines à un seul cylindre la détente ne saurait être prolongée indéfiniment, à cause des condensations de la vapeur sur les parois du cylindre. Ces condensations de vapeur sont évidemment proportionnelles aux différences de température entre la vapeur et les parois du cylindre. Les parois du cylindre prennent une température qui se rapproche de celle du condenseur, si la détente est très grande. Plus la pression, et par suite la température de la vapeur, à son arrivée dans le cylindre, sera considérable, plus la condensation sei'a grande. Par conséquent les condensations de vapeur à l'admission, qui forment les principales pertes dans les machines de construction soignée, augmenteront avec la détente.

Si le cylindre est à enveloppe de vapeur, il en sera de même, car la vapeur se condensera dans l'enveloppe, au lieu de se condenser dans le cylindre. On n'en a pas moins une dépense de vapeur considérable.

En résumé, dans les machines à un seul cylindre, plus la détente augmente et plus l'influence du poids de vapeur condensée est

considérable, et de ces deux effets résulte un minimum de dépense, compris dans l'emploi de détentes variant de 9 à 10 volumes.

C'est pour éviter les divers inconvénients que nous venons de signaler, c'est-à-dire la nécessité d'une surveillance active, les difficultés de réglage, l'augmentation de la vapeur condensée avec l'accroissement de la pression, que l'on fait usage des machines à deux cylindres qui ont reçu le nom de machines compound, c'est-à-dire machines composées, d'après le mot anglais compand.

Le principal avantage théorique et pratique des machines compound se trouve dans la facilité de produire des détentes considérables, sans provoquer de condensation de vapeur, ou en amenant moins de condensation que dans les machines Corliss.

Dans le premier cylindre d'une machine compound, la température des parois du cylindre est bien plus élevée que celle du condenseur, et cette température est toujours plus élevée que pour les machines à un cylindre, puisqu'elle représente la température de la vapeur du réservoir intermédiaire, où la tension et par suite la température de la vapeur dépendent du degré d'introduction au petit cylindre et de la pression aux chaudières.

Les mêmes phénomènes se reproduisent pour le second cylindre, car si la température de la vapeur est basse, la température de la vapeur qui y entre est également peu élevée; par suite, l'écart de température et les condensations sont faibles.

Pour montrer combien sont variables les condensations que peut entraîner une légère différence entre les écarts de température, dans un même cylindre, nous allons donner quelques chiffres.

Supposons de la vapeur à 8"* de pression, dont la température est de H- 169" et de la vapeur à 4"% à la température de -1-143°. Supposons une détente de 9 volumes. Les pressions finales seront, pour les deux cas

Fig. 44. — Machine de Wolf à balancier, de M. Thomas Powel, de Rouen.

considérés, de 0^8 (93") et de 0\4 (76°). La chute de température pendant la détente sera donc, dans le premier cas, de 76° et dans le second de 67°. La différence entre ces deux chiffres est assez faible. Cependant les condensations initiales avec une pression de S""" seront environ deux fois plus grandes qu'avec une pression de 4""".

On peut donc admettre que la somme des condensations produites dans les deux cylindres d'une machine compowid, par suite des écarts de la température, est plus faible que ne le serait la condensation résultant d'une chute de température égale à la somme des deux écarts dans le grand et le petit cylindre.

Ces principes préliminaires posés, nous pourrons aborder la description des machines à vapeur du système compound. Mais avant d'arriver à cette description, il sera nécessaire de parler de la machine, de date déjà ancienne, qui a servi de point de départ à la machine actuelle, dite compound.

La machine dont nous voulons parler, et qui a été l'origine du système compound, c'est la machine dite de Wolf. Dans les Merveilles de la science, nous avons parlé de l'emploi particulier de la vapeur dans la machine de Wolf, et décrit son double cylindre. Nous avons dit qu'elle a été imaginée pour utiliser, avec le plus d'avantage

SUPPLÉMENT A LA MACHINE A VAPEUR

possible, la détente de la vapeur (1), Aujourd'hui que l'on construit des machines à grande détente avec vm seul cylindre, c'est-à-dire les machines Corliss, il semble que l'ancienne machine de Wolf aurait dû être abandonnée. Il n'en est rien; cette machine fonctionne, au contraire, dans la plupart des filatures du nord de la France, de l'Angleterre et de la Belgique, en raison de la douceur de ses mouvements et de son économie. Elle rivalise avec les machines Corliss sous ce double rapport, et s'emploie en concurrence avec ce nouveau système.

Il est donc nécessaire de décrire ici avec attention la machine de Wolf.

Nous prendrons pour sujet de la description de cette machine le type perfectionné que construit aujourd'hui M. Thomas Povell, à Rouen.

La disposition extérieui-e de cette machine présente les plus grandes analogies avec la machine de Watt, que nous avons décrite dans les Merveilles de la science (pages 126, 128, fig. 67 et 68). Nous avons, d'ailleurs, affecté aux mêmes organes les mêmes lettres dans les deux descriptions.

La figure 44 représente une machine de Wolf à balancier. A est le grand cylindre, A' le petit cylindre. Les tiges des pistons de ces cylindres transmettent leur mouvement au balancier, DEF, à l'aide de deux parallélogrammes de Watt. Au point F du balancier est articulée la bielle G, qui anime d'un mouvement de rotation le volant V, au moyen d'une manivelle.

P est une tringle qui commande la pompe à air du condenseur, B; la tige, R, actionne la pompe alimentaire. Un régulateur à boules, mm, actionne une tige qui fait tourner un papillon qui régularise l'arrivée de la vapeur. La vapeur arrivant de la chaudière, par le conduit a, se rend dans le petit cy-

(1) Tome 1", pages lOG-103.

lindre, sort du petit cylindre et se rend dans le grand, par le conduit e; après avoir travaillé dans le grand cylindre, elle se rend au condenseur.

Une manette permet d'agir sur un robinet qui règle l'arrivée de l'eau dans le condenseur.

Sur l'arbre du volant est calé un engrenage d'angle, qui actionne un pignon conique qui donne le mouvement à l'arbre //'. Cet arbre porte à son extrémité un excentrique triangulaire qui donne un mouvement de va-et-vient à un cadre composé de

Fig. 45 et 4G. — Machine de Wolf (coupe des tiroirs du grand et du petit cylindre).

2 tringles verticales. Cette traverse actionne les tiges des tiroirs de distribution. Un contre-poids, M, équilibre l'ensemble des tiges et des tiroirs.

Nous donnons, dans les figures 45 et 46, la coupe des tiroirs du grand et du petit cylindre. Ce sont des tiroirs ordinaires à coquille, sans recouvrements. La vapeur venant de la chaudière se répand à l'intérieur de la boîte du tiroir, T, du petit cylindre. Suivant ensuite l'ouverture du tiroir, elle pénètre, par le canal à la partie supérieure du cylindre, ou, par le canal b' , à sa partie inférieure. Elle peut

également se rendre par ces canaux, à l'échappement. La vapeur se rend alors par un conduit dans la boîte du tiroir du grand cylindre, qui est exactement pareille à celle du petit cylindre. Mais ici l'échappement se fait au condenseur.

Dans cette machine l'admission de la vapeur dans le petit cylindre se fait pendant toute la durée de la course ; le grand cylindre ayant un volume de quatre à six fois le volume de vapeur admis à chaque coup de piston. Mais ces détentes ne sont pas assez économiques, et l'on a été amené à faire commencer la détente à l'intérieur même du petit cylindre. Pour cela, on fit d'abord usage d'un simple tiroir à recouvrement, sans aucun appareil supplémentaire, fixe ou variable.

Mais ces machines, tout en donnant d'excellents résultats, au point de vue de la consommation, présentaient encore des inconvénients.

Le réglage par papillon ne permettait pas de donner aux machines une parfaite régularité de vitesse, sous toutes charges, surtout avec des machines peu chargées.

L'impossibilité d'admettre moins de cinq dixièmes de la course du petit piston avec un simple tiroir à recouvrement avait pour résultat d'amener un étranglement considérable de la vapeur par le papillon. Quand la charge à enlever ne nécessitait pas une admission de cette importance, il en résultait naturellement une consommation moins économique.

Ces considérations amenèrent MM. Powell à essayer l'application d'une détente variable par le régulateur, pour l'admission de la vapeur au petit cylindre. Ils adoptèrent le système de déclic inventé par M. Correy, leur ingénieur.

Les premières applications de ce système furent faites sur des machines existantes ; les résultats obtenus ayant été excellents, tant au point de vue de l'économie de con-

\ sommation qu'à celui de la régularité de la vitesse, l'appareil fut depuis appliqué à toutes les machines de Wolf nécessitant une vitesse très régulière, ou soumises à des efforts variables.

j Voici la disposition de ce dernier appareil. La forme ordinaire des boîtes à vapeur

I est conservée ; la vapeur arrive directement des chaudières à l'enveloppe entourant les

i deux cylindres et passe de là, par une valve de mise en route, à la boîte à vapeur du petit cylindre.

Le mouvement est donné au tiroir par un excentrique triangulaire comme dans la machine précédente, les tiroirs sont réglés de la même manière.

Le but de l'appareil de détente est de faire cesser l'admission de vapeur à une période quelconque de la course du petit piston, depuis 0 fermeture complèlo jusqu'à 0,9 de la course.

La figure 47 représente l'ensemble de la machine. Les figures 48, 49, 50 et 51 redonnent des détails de la distribution.

Le petit tiroir A, de forme plane (fig. 48 et 49), présente deux faces parallèles dressées; la face intérieure, qui frotte sur la glace du cylindre, est disposée comme celle d'un tiroir ordinaire. Le réglage peut j se faire pour permettre une admission de six à neuf dixièmes de la course du petit piston, suivant la charge maximum sous laquelle la machine doit fonctionner. La face extérieure présente deux orifices recj tangulaires, dont les dimensions corresponi dent à la section d'orifice découverte par les bords de la face intérieure.

Deux palettes BB' sont maintenues appuyées sur la face extérieure du tiroir par la pression de la vapeur, et peuvent en fermer complètement les deux orifices, de manière à intercepter toute communication entre' la vapeur de la boîte et le cylindre.

Les palettes sont fixées à deux tiges, C',G qui sortent de laboîte de vapeur par des presse-

Si

Fig. 47. — Machine de Wolf à détente perfectionnée, couslruitc par M. Powel, de Rouen.

étoupe doubles DD', afin d'empêcher toute perte de vapeur condensée le long de ces tiges.

Le diamètre des tiges est calculé pour que la pression de vapeur qui s'exerce sur leur extrémité supérieure, augmentée du poids des pièces, soit plus élevée que l'efTort provenant de la résistance due au serrage des garnitures de chanvre dans les presseétoupe et du frottement des palettes sur les faces du tiroir. Cette disposition , qui fait retomber les tiges et leurs palettes dès qu'elles se sont rendues indépendantes du mouvement qui élève, évite l'emploi des ressorts ou contre-poids employés pour remplir le môme office.

Chaque tige porte, au-dessous des presseétoupe, un renflement, M, formant piston, dans un petit cylindre à air EE,. L'échap-

pement de l'air sous les pistons se règle à volonté, au moyen de petites soupapes dont la tige est filetée, et lorsque les tiges des palettes retombent brusquement, l'air se comprime sous leur extrémité de manière à supprimer complètement le choc.

Le mouvement est donné à chacune des tiges ce, par deux excentriques circulaires FF^ calés sur un petit arbre spécial commandé par l'arbre de la machine.

Les excentriques sont articulés à deux tiges cylindriques GG, qui passent dans un guide fixé sur la colonne, elles se meuvent à frottement doux dans deux pièces en fer HH, qui portent le déclic, et qui sont clavetées à l'extrémité inférieure des tiges des palettes.

La partie supérieure des tiges GGi n'est pas cylindrique; sur une certaine longueur,

Fig. 48 et 49. — Machine de Wolf (Powel). Détente Corrcy.

elle est faite sur le tour en déplaçant l'axe du cylindre parallèlenaent à lui-même (fig. 50, SI et 52) et forme un épaiilement ayant la forme d'un croissant. Cette partie des tiges est en acier trempé. Une autre pièce, i, en acier trempé s'engage dans l'ouverture

carrée des pièces HIIi et peut se déplacer horizontalement d'une quantité égale à l'épaulement y, quand le levier coudé et articulé Klui communique son mouvement.

La pièce en acier, i, a une ouverture intérieure, dont la forme circulaire vient s'ap-

Fig. 50, 51 et 52. — Déteiilc Correy (détails).

pliquer exactement sur une demi-circonférence de la surface latérale de la tige qui la traverse, et elle est maintenue appuyée contre cette tige par un petit ressort à boiulin.

Quand l'un des excentriques est à sa fin de course inférieure, la tige qu'il commande, et qui porte une palette, repose sur la rondelle en caoutchouc qui garnit le fond du cylindre à air, la palette ferme complètement l'orifice et l'épaulement j de la tige G est descendu de quelques millimètres audessous (lu verrou i. Ce jeu de trois à quatre millimètres est destiné à permettre au verrou de bien se placer sur l'épaulement de la tige. Le ressort à boudin applique le ver-

rou sur la partie excentrée de la tige, ainsi que le représentent les figures 48 et 49.

Si l'on commence le mouvement, l'excentrique poussera d'abord l'épaulement de la tige contre le verrou, aussitôt la palette obéira et, en s'élevant, découvrira l'orifice.

Le levier coudé et articulé K s'élève avec tout le système, il porte dans la partie cylindrique inférieure et maintenue par deux écrous qui en permettent le réglage.

A un moment quelconque de la course du petit piston, le couteau viendra rencontrer une des pièces en forme de came 00 1; l'excentrique continuant son mouvement, l'extrémité inférieure du levier d('('.rira un

petit arc de cercle autour de son articulation, jusqu'à ce que le verrou i sorte de l'épaulement de la tige en comprimant le ressort à boudin.

La palette et la tige sont alors indépendantes, la pression de la vapeur les fera retomber brusquement et la palette masquera l'orifice.

Les pièces en fonte OOi sont calées sur un petit arbre, que fait mouvoir un système de leviers ordinaires qui le relient au manchon du régulateur, la forme à donner à ces pièces est déterminée par l'épure de réglementation.

L'effort de butée des couteaux sur les cames est très faible, puisqu'il n'a d'autre office que de faire sortir le verrou de son épaulement. Quoiqu'il en soit d'ailleurs, cet effoi't à toutes les positions des cames n'a qu'une composante verticale qui passe par le centre de l'arbre à cames, de sorte qu'il ne peut avoir aucune influence sur le mouvement du régulateur. Celui-ci, n'ayant plus alors aucune résistance à vaincre, devient d'une sensibilité extrême, la plus petite variation de vitesse se traduit par des oscillations immédiates, trop considérables et trop rapides des bras du pendule. Pour obvier à cet excès de sensibilité, on a dû ajouter une résistance très faible et constante, au moyen d'un petit piston, suspendu à la tringle du manchon inutile et fonctionnant avec jeu dans un cylindre rempli d'huile.

Les petites tringles GG, ont pour but de forcer les palettes à redescendre en suivant le mouvement des excentriques, quand, à l'ai'rêt de la machine, la vapeur n'est plus dans la boîte pour les faire retomber.

Nous n'avons pas besoin de donner une description détaillée de la figure 47 (page 59) qui représente la machine de Wolf pourvue de la détente Correy. Le lecteury reconnaîtra aisément les mômes organes que dans la figure 44, avec le mécanisme de la détente Correy.

Telle est le machine de Wolf en usage aujourd'hui dans les filatures du nord de la France, de la Belgique et de l'Angleterre, et qui a servi de point de départ et de modèle aux machines compound, dans la description desquelles il convient d'entrer maintenant.