CLASSIFICATION DES MACHINES A VAPEUR

Rien n'est plus difficile que de donner une classification rigoureuse des machines à vapeur, en raison de la quantité innombrable de types différents qui sont en usage. Cette classification n'est possible qu'en considérant à part les difTérentes conditionsde leur construction et de leur emploi.

Quand on considère la tension de la vapeur, ou le nombre d'atmosphères de pression que cette vapeur exerce, on distingue les machines à vapeur en machines à basse pression et machines à haute pression. Cependant il est plus conforme aux faits, de les désigner, dans ce cas, sous le nom de machines à eondmseur^

et de machines sans condenseur. Établissons la différence qui sépare ces deux systèmes.

Les machines à condenseur^ les premières que Ton ait construites, et les seules dont Watt ait fait usage, sont ainsi nommées parce que la vapeur, quand elle a produit son effort mécanique, s'y trouve condensée par Feau froide. On a continué de les désigner sous le nom de machines à basse pression^ parce que la vapeur n'y est ordinairement employée qu'à une pression médiocre, qui va d'une atmosphère et demie à deux atmosphères.

La machine sans condenseur est celle dans laqiîèlle la vapeur se trouve rejetée librement dans l'air dès qu'elle a produitsoneffet.Cesmachinessonttoujours nécessairement à haute pression.

Quelles sont les raisons qui peuvent motiver dans une usine, le choix d'une machine à vapeur à haute ou à basse pression ? Si Ton dispose d'une quantité d'eau assez abondante pour fournir aux besoins de la condensation, il y a avantage à adopter la machine à condenseur. Il suffit de donner à la surface du piston des dimensions convenables, pour obtenir des machines réalisant tout l'effort nécessaire, et dans lesquelles la vapeur agit toujours à basse pression , c'est-à-dire à environ une atmosphère et demie. Mais si Ton ne peut se procurer facilement la quantité d'eau qui est nécessaire à la condensation, on est forcé d'employer des machines à haute pression, qui marchent sans condenseur. Ajoutons que la machine à basse pression occupe une place considérable ; au contraire la machine à haute pression, qui ne se compose guère que d'un cylindre et d'une bielle, ne demande qu'un emplacement médiocre. Dans un grand nombre de cas, cette dernière circoïis.tance détermine le choix de la machine à haute pression.

Examinons maintenant les détails du mécanisme de la machine à vapeur selon

qu'elle marche avec ou sans condensear.

Machine à condenseur. — La machine à Tapeur à basse pression et à condenseur, c*e8t^ à-dire la machine communément désignée sous le nom de machine de Watt^ ne se compose que d'éléments qui ont été précédemment analysés. Il nous suffira donc d'une légende ajoutée à la figure 67, pour faire comprendre son mécanisme et la destination de chacun de ses organes.

Fig. 67. — Machine à condenseur ou machine de Watt à basse pression.

A est le cylindre dans lequel joue le piston, par suite de l'effort de la vapeur qui s*y introduit à l'aide du tube a. L'appareil connu sous le nom de tiroir^ est représenté par les lettres 6, b. Il est destiné à faire passer la vapeur arrivant de la chaudière, tantôt au-dessus, tantôt au-dessous du piston ; et en même temps, à faire communiquer le condenseur, tantôt avec la partie supérieure, tantôt avec la partie inférieure du cylindre. Ce tiroir se compose d'une plaque métallique mobile jouant à l'intérieur de la capacité i, et mise en mouvement par l'arbre K de la machine, à l'aide de deux tringles s, 5, convergeant l'une vers l'autre, qui mettent en mouvement un petit mécanisme connu sous le nom \ï excentrique.

MACHINE A VAPEUR

En se déplaçant ainsi à rinlérieur de la capacité du corps de pompe, cette plaque a pour effet de fermer et d'ouvrir successivement une communication qui existe entre la partie supérieure et la partie inférieure du cylindre ; selon que cette ouverture est ouverte ou fermée, la vapeur peut s'introduire au-dessous on au-dessus de la tête du piston.

C représente la tige du piston. Au moyen du parallélogramme articulé 00, cette tige transmet son mouvement au balancier, de manière à lui imprimer un mouvement de va-etvient autour de son axe E. A l'extrémité F du balancier est attachée une bielle, ou tige, G, qui vient s'articuler avec le bouton de la manivelle fixée à l'extrémité de l'arbre K, pour communiquer à cet arbre un mouvement de rotation. LL est la roue, ou le volant, destinée à prévenir les irrégularités d'action du balancier^ en répartissant les inégalités de son mouvement sur une grande masse placée à une certaine distance de l'axe de l'arbre. M est le régulateur à force centrifuge ; lié par une courroie à l'arbre de la machine, il est destiné à régler l'entrée de la vapeur dans le cylindre, et à imprimer au mouvement une marche uniforme.

Le condenseur, qui se trouve caché dans la figure 67, est disposé immédiatement au-dessous du cylindre. C'est une capacité communiquant, par un large tube, avec le cylindre, et qui se trouve incessamment parcourue par un courant d'eau froide, destinée à produire la condensation delà vapeur. L'eau qui doit servir aux besoins de cette condensation, est empruntée à une source ou à un cours d'eau voisin, à l'aide d'une pompe aspirante et foulante. Cette pompe est mise en action par une tige que l'on a représentée sur la figure 67 par la lettre I ; cette tige, reliée au balancier de la machine, lui emprunte son mouvement.

La capacité du condenseur se trouverait bientôt remplie d'eau, sî une pompe ne l'extrayait à mesure qu'elle s'y accumule : tel est l'objet que remplit la pompe dont la

tige est représentée, sur la figure 67, par la lettre J. On la désigne communément sous le nom de pompe à air^ parce qu'en même temps qu'elle extrait l'eau qui remplit le condenseur, elle en retire aussi l'air qui se dégage de l'eau froide lorsqu'elle arrive dans la capacité du condenseur où le vide existe partiellement.

L'eau chaude extraite du condenseur par la pompe à air, se rend dans un réservoir d'où elle s'échappe hors de l'usine à l'aide d'un trop-plein. Cependant cette eau n'est pas rejetée tout entière ; une petite partie en est aspirée par une pompe, nommée pompe ali^ mentaire^ qui la refoule dans la chaudière, pour remplacer celle qui a disparu sous forme de vapeur. La tige de la pompe alimentaire est indiquée sur la figure 67 par la lettre H. Comme la pompe à air, on voit qu'elle est mise en action par le balancier de la machine auquel elle se trouve liée.

La figure 68 est une coupe de la même machine, faite à une plus grande échelle, et qui est destinée à montrer les dispositions intérieures et le jeu de l'appareil de condensation. En sortant du cylindre A, la vapeur s'échappe par le tuyau d dans le condenseur e. L'eau s'introduit dans ce condenseur, par un tube muni d'un robinet ^, qui règle la quantité d'eau qui s'introduit dans le condenseur. Le piston h muni de deux soupapes t,t appartient à lapompe à air^ c'est-à-dire à la pompe qui a pour fonction de retirer constamment l'eau qui s'accumule dans le condenseur, et qui s'est échauffée par suite de la liquéfaction de la vapeur. Ce piston est manœuvré par une tige P qui se rattache au balancier.

L'eau chaude extraite du condenseur se rend dans une bâche /. La plus grande partie de cette eau s'écoule au dehors par un tropplein ; mais une certaine quantité en est aspirée par la pompe alimentaire m, pour aller remplacer dans la chaudière l'eau qui en a disparu à l'état de vapeur. Quand le piston m de cette pompe alimentaire s'élève par l'action de la tige R, l'eau de la bâche / est aspirée

par le tuyau nn, et traverse la soupape o qui ' suivant le tuyau p qui Tamene dans cettaj

csi ouverle ; quand ce piston s'abaisse, la soupape ose fermej la soupape o s'ouvre, et Teau se dirifçe ver»* Finti^rieur de la chaudière en

capacité.

y représente le tuyau d'une pompe à eau aspirante et foulante qui mue par la tige S,

Zi--J\l^.

Fig. 68. — Cûupe de là machine â condenseur, ou toachlae dti Walt à hh.%%% preasîoiu

approvisionne constamment d'eau froide le ^éservoir qui fournit de l'eau au condenseur e. Cette pompe puise de Teau dans un puits, dans une rivière ou un cours d'eau quelcon* que, et la verse par l'orifice r, dans une bâche ^éciale, d'où elle s'écoule dans le condenseur, par le tuyau et le robinet y. L'écoulement de cette eau est déterminé par l'excès de la pression atmosphérique, qui agit librement dans le réservoir, sur la très-faible pression qui existe dans le condenseur, par suite de la formation dans cet espace, d'un vide partiel résultant de la condensation de la vapeur- Telle est la machine à basse pression et à condenseur, ou machine de Watt. Elle est surtout d'un grand usage en Angleterre; en France, elle est moins employée*

Dans les machines à basse pression, comme dans les machines à condenseur, on fait usage

de l'artifice de la détente, qui, d'aprèslëf principes précédemment indiqués, diminue notablement la consommation du combustible. Comme Taddilion de la détente ne change rien à Fensemble du mécanisme, il serait inutile d'en donner une description particulière : toute la différence consiste dans la disposition du tiroir, qui ne laisse entrer la vapeur dans le cylindre que pendant la moi* tié j le tiers, le cinquième, etc., de la course du piston ; de telle sorte cpie la détente de la vapeur^ c'est-à-dire sa dilatation dans le vide, i agisse seule sur le piston pendant tout le resti^H de sa course. ^^

La plupart des machines actuelles sont construites de manière que le mécanicien puisse à volonté établir ou suspendre la délente; eOes permettent même de donnei à la vapeur le degré de détente que Ton nécessaire d'employer.

MACHINE A VAPEUR

Fig. 69. — Machine à cylindre horizontal (page 134).

Machines sans condenseur. — Dans ce second ordre de machines, d'un mécanisme infiniment plus simple, la vapeur, après avoir agi sur le piston, s*échappe dans Tair.

La figure 70 (page 130) nous permettra d'expliquer la marche et Teffet de la vapeur dans la machine sans condenseur.

La vapeur s'introduit, par le déplacement de la lame du tiroir C, tantôt au-dessus, tantôt au-dessous du piston. Quand elle arrive audessous du piston, par exemple, dans l'espace B, elle soulève ce piston. Sous l'influence de cette force, qui agit de bas en haut, le piston monte dans l'intérieur du corps de pompe et parvient à sa partie supérieure, A. Si l'on interrompt à ce moment, l'arrivée de la vapeur au-dessous du piston, et que l'on donne au dehors une issue à la vapeyr qui remplit le cylindre, en ouvrant un robinet placé sur le trajet du tuyau D, qui lui permette de s'échapper dans l'air extérieur, le piston s'arrêtera 4ans sa course ascendante. Mais si, en même temps, par le déplacement du tiroir C,on fait arriver de nouvelle vapeur au-dessus du [liston, dans l'espace A, la pression de cette

vapeur, s'exerçant de haut en bas, précipitera le piston jusqu'au bas de sa cpurse, puisqu'il n'existera plus, au-dessous de lui, de résistance capable de contrarier TefTort de la vapeur. Si l'on renouvelle continuellement cette arrivée successive de la vapeur au-dessous et au-dessus du piston, en donnant à chaque fois issue à la vapeur contenue dans la partie opposée du cylindre, le piston, ainsi alternativement pressé sur ses deux faces , exécutera un mouvement continuel d'élévation et d'abaissement dans rinlérieur du corps de pompe. Or, si une tige attachée à ce piston par sa partie inférieure, est liée par sa partie supérieure à une manivelle qui fait tourner un arbre moteur, et que le jeu des tiroirs destinés à donner accès à la vapeur, s'exécute seul au moyen de leviers liés à l'arbre tournant, on aura ainsi une machine fonctionnant seule et qui imprimera un mouvement continuel à l'arbre moteur auquel elle est attachée.

Tel est le principe des machines à vapeur sans condenseur y ou à haute pression^ parce que la vapeur agit ici avec une force de deux à plusieurs atmosphères.

MERVEILLLES DE LA SCIENCE

(]omme on rejette au dehors la totalité de la vapeur, après qu'elle a exercé son action sur le piston, ces machines, on le comprend, dépensent plus de combustible, à force égale, que les machines à basse pression. On les préfère pourtant, dans bien des cas, à la machine de Watt, en raison de la simplicité de leur mécanisme, qui permet aux constructeurs de les livrer à un prix inférieur.

La machine à vapeur a haute pression, ne comportant ni condenseur ni pompe à air, est adoptée dans un irrand nombre d'industries; elle est d'une

ton à une bielle articulée, comme on le voit dans la OgureTl . Seulement, comme la tige A du piston a besoin d'être guidée, dans son

Fig. 71

F Ig. 70. — Cylindre et tiroir de la machine sans condenseur (page 129J.

adoption forcée dans les lieux où il est impossible de se procurer la quantité d'eau nécessaire à la condensation, et quand ou ne peut disposer que d'un emplacement exigu. Dans la machine à haute pression, on supprime presque toujours le balancier. Pour transformer en mouvement circulaire, le mouvement vertical de la tige du piston, on se ^^leate de réunir Textrémité de la tige du pis-

Transformation do moaTeroent rertical d6 la tige du piston d*ane machine sans condenseur, en monrement ctrculairo, au moyen d'une bielle articulée.

mouvement pour ne pas être faussée par la résistance oblique qu'elle éprouve de la part de la bielle, on fait rouler son extrémité B entre deux coulisses E, E, de manière à la maintenir constamment en ligne droite malgré les mouvements d'élévation et d'abaissement de la bielle. Par son libre mouvement dans l'espace EE, la tige BC met en action la manivelle CD, et imprime ainsi directement k l'arbre D un mouvement continu de rotation.

Les principes sur lesquels repose le jeu de la machine à haute pression ayant été exposés plus haut, la figure 72. permettra de saisir tous les détails de son mécanisme.

A est le cylindre, ou corps de pompe, de la machine. Amenée de la chaudière dans ce cylindre, à l'aide du tuyau P, la vapeur vient y exercer sa pression sur les deux faces du piston, et une fois l'eCTet produit, se dégage dans l'air, à l'aide d'un long tuyau de cuivre B, qui la fait perdre au dehors. G, G, sont deux montants verticaux qui servent à guider dans son mouvement la tige du piston. K est une tige, ou bielle, qui, pourvue d'une articulation mobile à chacune de ses extrémités, transmet à la manivelle adaptée à Tarbre de la machine le mouvement du piston, et imprime à cet arbre un mouvement de rotation continu. 1 est une tige métallique qui fait marcher le tiroir MM ; par suite du déplacement de la plaque mobile qui parcourt rintérieur de ce tiroir, la vapeur trouve ac-

MACHINE A VAPEUU.

ces tantôt au-dessus, tantôt au-dessous de la tète du piston. Cette tige est mise en mouvement par Varbrede la machine auquel elle est rattachée. D est le régulateur de Watt à force centrifuge ; à Taide de la tige L et du levier coude qui lui fait suite, il régularise l'entrée de la vapeur dans le cylindre en dilatant ou

FIg. 73. — Machine sans condenseur ou machine à haute pression.

rétrécissant Torifice qui donne accès à la vapeur. F est la tige qui met en action la pompe alimentaire E, destinée à remplacer Teau de la chaudière à mesure que celle-ci disparait en vapeurs. Cette tige, reliée à Tarbre de la machine,est mise en mouvement par cet arbre, et fait agir la pompe E, qui, puisant de l'eau froide dans un réservoir situé au-dessous, la dirige, à l'aide du tube G, dans l'intérieur de la chaudière. Cette pompe alimentaire peut fonctionner constamment ou seulement d'une

manière intermittente. Si le chauffeur veut suspendre son action, il lui suffit d'enlever la clavette mobile qui rattache les deux parties de la tige, E,F; le mouvement du piston de la pompe est ainsi suspendu, et la tige F fonctionne à virfe, c'est-à-dire agit sans transmettre son mouvementé la pompe. Enfin, II est la roue ou le volant de la machine, qui a pour fonction de régulariser son mouvement, parce qu'il le répartit sur une masse considérable, éloignée de son centre d'action. Tel est le type général de la machine à vapeur dite sa7is coyidenseur^ ou à haute pression. 11 fautajouter seulement que l'on s'arrange toujours pour que la vapeur, avant de se perdre dans l'atmosphère, vienne traverser le réservoir d'eau froide destinée à l'alimentation de la chaudière, afin de profiter d'une partie de la chaleur emportée par cette vapeur. Le tuyau qui rejette la vapeur hors de l'usine, traverse donc l'eau d'alimentation, et l'échauffé. Lorsque cette dernière s'introduit dans la chaudière, elle possède déjà une température assez élevée, ce qui économise une partie du combustible. Cette disposition, fort simple à comprendre, n'a pas été représentée sur la figure, pour ne rien lui enlever de sa clarté.

On a cru longtemps, que les machines à haute pression étaient plus dangereuses que celles où la vapeur n'agit qu'à une ou deux atmosphères. Ce préjugé existe encore dans le public et chez quelques chefs d'usine. Mais le relevé des explosions de chaudières qui ont eu lieu en France et en Angleterre, a prouvé qu'il est arrivé plus de sinistres avec les machines à basse pression qu'avec les autres. La machine à haute pression est employée avec grand avantage toutes les fois que l'on n'a besoin que d'une force motrice d'une intensité médiocre. La régularité de son action, sa simplicité extrême, son prix peu élevé, lui font bien souvent accorder la préférence sur la machine à condensation, d'un prix considérable, d'une installation souvent difficile;

et qui exige un grand emplacement et une source d*eau abondante, pour suffire aux besoins de la condensation.

Ce genre de machine à vapeur n'est d'un emploi rccllemont économique, relativement à 11 machine à basse pression, que quand on y fait agir la vnpenr avec détente. Employée sans détente, elle est d'un usage dispendieux. Aussi fait-on maintenant toujours usage dans les machines à haute pression, de la détente de la vapeur.

I>*s deux sysU;mes qui viennent d'être décrite, c'est-à-dire les machines à haute pression et à ba^sc pression, sont loin de s'exclure Tiin l'autre. On les combine en effet .ivec avantage. On construit aujourd'hui, un grand nombre de machines qui marchent à hauti pression et qui sont néanmoins munies d'un condenseur. Beaucoup de machines fix^s ^;mployées dans les manufactures, plu- ^leiir^ des machines à vapeur qui fonctionnent à bord des bateaux de rivière, sont ^.iblies dans ce double système.

Si l'on considère le mode d'action de la vapeur, on doit diviser les machines à vapeur en machines à simple effet et à double effet.

Dans la machine à simple effety la vapeur n*agit que sur l'une des faces du piston, pour produire son oscillation ascendante ; la chute du piston est déterminée par le poids de l'atmosphère s'exerçant sur la surface supérieure. Un balancier volumineux et lourd vient accélérer la descente et accroître l'effet mécanique.

Dans la machine à double effets la vapeur tient agir successivement sur les deux faces f\n piston pour le soulever et l'abaisser alternativement.

(Juand il ne s'agit que de produire un mouvement mécanique intermittent et non r./?ntinu (tel est le cas des pompes pour l'élét/ition des eaux dans les mines, ou pour l'alirnentation du réservoir d'eau des villes), c'est k U machine à simple effet que l'on a recours.

Les machines du Cornouailles, la pompe à feu deChaillot (à Paris), qui a été reconstruite en 18S4, à peu près avec les mêmes dispositions qu'on lui avait données en 1775, et celle du Creuset qui sert à l'épuisement des eaux dans les mines, sont établies dans le système à simple effet de Watt. Pour quelques outils employés dans les ateliers mé- 'caniques, tels que les moutons à vapeur, les découpoirs à vapeur de M. Cave, on se sert aussi d'une machine à simple eflet. On a même fait quelques essais de nos jours, pour revenir aux machines à simple effet dans les appareils à vapeur destinés à la propulsion des bateaux. M. Seeward, de Londres, a appliqué à la navigation une machine à simple effet sur le navire à hélice the Wmider^ de la force de 1,000 chevaux, dont un modèle a figuré à l'Exposition universelle de Paris en 1855. L'appareil moteur était composé de trois cylindres réunis marchant à simple efiTet. Cependant cette tentative n'a pas eu de suite. Sauf les cas que nous venons de considérer, et qui sont peu nombreux, toutes les machines à vapeur employées dans l'industrie, sont à double effet.

Pour terminer ce qui concerne la classification des machines à vapeur, nous dirons que quand on considère leur service, on les divise en machines fixes^ pour l'usage des ateliers et des usines, en machines de naoir gation^ en locomotives et locomobiles,