RÉGULATEURS HYDRAULIQUES

L'action régulatrice peut être obtenue, de différentes manières, en ayant recours aux propriétés physiques de fluides. Si Ton !çe sert d'un liquide, on peut utiliser soit sa densité (principe d'Archimède), soit les résistances, variables avec la vitesse, qu'il oppose au déplacement d'un corps solide. Si Ton se sert d'un gaz, on peut, à défaut de la densité, qui serait trop faible, mettre en jeu les variations de la pression, ou bien, comme avec les liquides, se servir de la résistance due à la vitesse relative d'un corps en mouvement.

Nous examinerons dans ce chapitre divers régulateurs basés sur l'emploi d'un liquide.

Régulateur à pompe et à flotteur.

Cet appareil a été décrit et étudiée parPoncelet [Mécanique appliquée aux machines) .

Un corps de pompe A (fig*. H9), dont la tige EF est actionnée par la machine qu'il s'agit de régler, refoule l'eau d'un réservoir inférieur C dans un réservoir supérieur B. L'eau retombe de B en C par un orifice D pourvu d'un robinet. Un flotteur G, suspendu au levier KL, commande l'organe de réglage par l'intermédiaire de ce levier. A l'état de régime, la quantité d'eau qui arrive dans B est à chaque instant égale à celle qui en sort, et le flotteur demeure immobile. Si la machine s'accélère, l'arrivée d'eau augmente; le flotteur s'élève et réduit l'ouverture de la valve ou de la vanne d'admission jusqu'à ce que l'équilibre entre l'arrivée et la sortie de l'eau se trouve rétabli. En ouvrant plus ou moins le robinet placé en D, on fixe à volonté la vitesse de régime.

A cause de l'irrégularité d'action de la pompe, le liquide oscille perpétuellement dans le réservoir, même à l'état de Régulateur à pompe régime. Pour réduire ces oscillations nuisibles, on peut employer flotteur,

une pompe à double effet, ou bien ajouter un réservoir d'air. Il vaut mieux encore avoir recours à un mode d'épuisement continu, tel que la vis d'Archimède. Malgré cela, le système est peu recommandable, en raison de la perte de travail qu'il occasionne, et surtout de la lenteur de son action.

Le même principe se trouve appliqué dans le régulateur Pringle, de Newcastle, mais en faisant en sorte que le flotteur occupe toute la section du réservoir supérieur. Dans la fig. 150 qui représente cet appareil, c est le réservoir inférieur, e la pompe, à double effet, mue par un excentrique ; f le flotteur, à côté duquel on aperçoit la boîte du robinet de retour d'eau munie d'une manette de manœuvre avec aiguille mobile devant une graduation qui indique la vitesse de régime correspondant à chaque position. Le flotteur commande la valve au moyen de la transmission h.

Lorsqu'un flotteur occupe ainsi toute la section du réservoir dans lequel il se déplace, il joue le rôle d'un véritable piston, et peut alors être tenu en équilibre par des pressions contraires exercées sur ses deux faces, pressions qui n'ont plus aucune relation avec celle dp l'atmosphère. Nous trouvons une application de cette idée dans un régulateur installé en 1896 aux forges américaines de Pencoyd, pour une machine à vapeur chargée de conduire un laminoir dégrossisseur (blooming).

Lkcorxi:. — Régulateurs des machines à vapeur. 10

Le problème de la régularisation se présente en pareil cas dans des conditions toutes spéciales. Le laminoir a un travail extrêmement dur à remplir : il prend le lingot d'acier aussitôt solidifié pour le réduire en bloom. C'est un laminoir réversible dans lequel le lingot passe et repasse en sens contraire, jusqu'à ce qu'il soit amené aux dimensions

Fie. 150. — Régulateur Pringle.

voulues. Il est conduit par deux cylindres à vapeur dont les manivelles sont calées à angle droit. Pour obtenir le renversement sans perte de temps, on est obligé de supprimer touteespèce de volant. Généralement, un appareil de ce genre est dépourvu de régulateur : on

s'en rapporte au mécanicien pour diriger convenablement l'arrivée de vapeur. Un régulateur à force centrifuge ne saurait aucunement convenir, son action serait beaucoup trop lente. Comme on passe presque dune charge nulle à une charge énorme, il faut avant tout obtenir une régularité presque instantanée, dût-on pour cela accepter des écarts de vitesse assez sensibles.

Le régulateur hydraulique adopté aux forges de Pencoyd consiste essentiellement en un piston plongeur qui supporte sur sa face supérieure la pression de la chaudière, et sur sa face inférieure la pression d'un liquide (eau ou huile). Ce liquide est mis en mouvement par une pompe qui le refoule dans un tuyau, revenant à la pompe, de manière à former un circuit fermé. En un point du tuyau se trouve un robinet servante créer une résistance qu'on gradue à volonté en ouvrant plus ou moins le passage. Immédiatement en amont de ce robinet est placé le réservoir cylindrique fermé par le piston plongeur. Les choses doivent être réglées de telle façon qu'à la vitesse normale de marche la pression dans le réservoir soit égale à celle de la vapeur : le piston se tient alors en équilibre. Si l'allure tend à s'accélérer la vitesse de circulation s'exagère, ce qui augmente la pression dans le réservoir ; alors le piston remonte, et comme sa tige porte un tiroir-cylindrique à persiennes, commandant l'arrivée de vapeur aux cylindres, le moment moteur se trouve diminué. L'effet inverse se produit en cas de ralentissement de la machine. La fig. 151

Fig. loi.

montre le piston plongeur et le tiroir réunis par une tige de bronze. Le liquide arrive par A et s'en va par B. En R se trouve le robinet de réglage. On comprend maintenant l'avantage d'un pareil régulateur dans le cas spécial qui nous occupe : pendant chaque période de travail il proportionne exactement, et sans aucun retard, le moment moteur au moment résistant. En fait, avec ce dispositif, le lingot s'engage dans le laminoir sans qu'il en résulte un ralentissement appréciable à la vue.

Un mode d'action des liquides fréquemment employé est celui qui consiste à utiliser la résistance, croissante avec la vitesse, qu'ils opposent à des palettes tournant autour d'un axe fixe. Voici divers exemples :

Régulateur Allen (1871).

Une roue à palettes est animée d'une rotation rapide à l'intérieur d'un tambour concentrique, à moitié rempli d'huile, et pourvu d'une série de refends qui s'opposent à l'en-

Fie 152. — Régulateur Allen.

traînement du liquide. Le tambour est libre de tourner également ; mais il est maintenu en équilibre par un contrepoids attaché à une chaîne qui s'applique sur la gorge d'une poulie invariablement liée au .tambour. Une roue dentée et un secteur denté transmettent à la valve de réglage, tous les déplacements du tambour. Si la poulie supportant la chaîne était circulaire, l'équilibre ne pourrait avoir lieu que pour une seule vitesse, et l'on aurait un régulateur isochrone, par conséquent instable. Aussi la pratique a-t-elle vite démontré à l'inventeur la ijépessité de donner à la poulie une forme spiraloïde, qui assure la stabilité en sacrifiant un peu de Tisochronisme.

Supposons, comme cela est sensiblement vrai, que l'effort d'entraînement auquel doit résister le tambour soit proportionnel au carré de la vitesse u>, et désignons-le en conséquence par K<*)*, K étant un facteur constant. Soit P le poids, r son bras de levier pour la vitesse moyenne de régime w . A L'état d'équilibre, on a l'équation très simple :

Ko> ï = Pr

Si la poulie a un profil de spiral logarithmique, et si elle tourne d'un angle 8, le rayon r prend la valeur r e vn ^ f m étant une constante. La relation devient :

Kw î = Pr o e 2ra

d où W* = <D 2 e* m O

et : a) = <») e m e ou, sensiblement : w =(i> (1 -f-mô).

En faisant varier le poids P, on modifie à volonté Ja vitesse de régime.

Le facteur K est un peu variable avec le temps, parce que l'huile s'épaissit plus ou moins ; mais, comme on dispose toujours de P, l'inconvénient n'est pas bien grave. Cet appareil présente une grande puissance sous un petit volume. Il y a lieu de remarquer que les oscillations de la chaîne sont susceptibles de faire varier un peu le moment du poids, et d'amener par suite une certaine perturbation de vitesse. C'est là un léger défaut de ce genre de contrepoids.

Régulateur isochrone Marcel Deprez.

Cet appareil est basé sur les propriétés des trains épicycloïdaux. Les ailettes H (fig. 153), au nombre de quatre, tournent très rapidement autour d'un axe horizontal, dans

Fig. 153. — Régulateur Marcel Deprez.

une boîte en fonte pleine d'eau, et munie de deux diaphragmes destinés à briser les courants. Elles sont mises en rotation au moyen de deux roues dentées E, E, agissant dans le même sens sur une roue dentée F portée par leur arbre. Les roues E portent deux pignons C qui engrènent avec une roue B fixée à l'arbre A, et celui-ci est conduit à la façon ordinaire par une transmission venant de la machine. L'équipage des roues E et des pignons C est porté par un cadre K, qui est susceptible de tourner autour de deux pivots placés sur le prolongement de l'arbre A. Le cadre porte lui-même un arbre L, placé également dans le prolongement de l'axe, et maintenu par un contrepoids, comme pour le régulateur Allen. A l'état de régime, il y a équilibre entre l'action du contrepoids et la réaction que le cadre reçoit des ailettes par l'intermédiaire des roues dentées. Quand la vitesse varie

l'équilibre est rompu, le cadre se trouve dévié plus ou moins, et sa déviation est utilisée, de même qu'avec le régulateur Allen, pour manœuvrer la valve d'admission.

Régulateur isométrique de Girdwood (1883).

Les palettes et les refends sont entièrement supprimés. Un tambour cylindrique T (fig. 154), renfermant de l'huile, est mis en rotation rapide par une poulie B. Le frottement

1 1liiàMwBwiw^

Fig. 154. — Régulateur Girdwood.

de l'huile contre les parois crée une résistance, variable avec la vitesse, que doit surmonter le tambour. Or, la liaison du tambour avec la poulie n'est pas invariable : fa poulie, maintenue latéralement par des épaulements fixes, forme écrou sur une ris V, mobile dans le sens de l'axe, et la tête de cette vis, élargie en forme de disque, est placée en regard d un disque semblable calé sur Taxe du tambour ; les deux disques ne sont réunis que par un goujon qui laisse à la vis la faculté d'avancer ou de reculer dans le sens de Taxe, en comprimant plus ou moins un ressort antagoniste. Dès que la vitesse tend à s'accentuer, la poulie B prend un déplacement angulaire par rapport au tambour, et ce mouvement fait marcher la vis V. La pression du ressort se trouve ainsi liée à la vitesse ; niais il est évident qu'avec cette disposition on ne peut espérer obtenir des efforts bien considérables. Ainsi a-t-il fallu avoir recours à l'action indirecte : le ressort est attaché au tiroir d'un petit cylindre à vapeur qui est chargé de manœuvrer la valve d'admission.

Régulateur g y r orné trique de Moncrieff (1874).

Aussi que le montre la figure 155, l'huile est soumise à l'action d'une roue à palettes, comme pour le régulateur d'Allen ; mais là s'arrête la ressemblance. Cette huile, lancée

Fut- 155. — Régulateur Moncrieff.

par la force centrifuge, pénètre à la base d'un cylindre vertical avec une pression qui dépend de la vitesse de la roue à palette, et soulève plus ou moins, dans ce cylindre, un piston qui est en connexion avec la valve de réglage. La force vive du liquide se trouve donc ici transformée en pression statique.

Régulateur de Napier (1885),

Cet appareil, a été en Angleterre baptisé « The cat » pour indiquer la rapidité de son action sur la machine, rapidité comparable à celle d'un chat qui joue avec une souris. La

Fie in 6. — Régulateur Napier,

figure 156 représente deux exemplaires réunis : l'un, celui de gauche,* en état de fonctionnement ; l'autre, celui de droite, ouvert pour montrer l'intérieur.

Il se compose essentiellement de deux roues à aubes courbes, analogues à des roues de turbines, juxtaposées dans une boîte close, à moitié remplie d'eau. L'une des roues tourne d'un mouvement continu, tandis que l'autre est maintenue en équilibre ainsi qu'on va le voir dans un instant. La roue tournante chasse l'eau vers sa périphérie et l'envoie sur les aubes de la roue équilibrée, où elle prend un mouvement centripète avant de retourner à la première roue. Ce mouvement centripète produit, sur les aubes qui le dirigent, un effort de

réaction qui est utilisé pour la commande de la valve régulatrice. A cet effet, la roue équilibrée porte une poulie concentrique sur laquelle est amarrée une chaîne dont l'autre bout tire sur un levier commandant la valve. La traction de la chaîne tend à fermer la valve, tandis qu'un contrepoids et un ressort tendent à la maintenir ouverte. L'équilibre de la roue résulte précisément de l'égalité entre la tension de la chaîne et l'action antagoniste du contrepoids. On conçoit dans ces conditions que la moindre variation de vitesse, en modifiant l'effort d'entraînement éprouvé par la roue équilibrée, charge le degré d'ouverture de la valve.

Cet appareil a une très grande puissance sous un petit volume. Les roues portent chacune seize aubes, ce qui augmente considérablement l'effort de réaction. Avec une paire de roues de 20 centimètres de diamètre on arrive à manœuvrer une valve placée dans un tuyau de 12 à 13 centimètres. La vitesse donnée à la roue tournante est de 200 tours par minute, et l'effort produit sur la chaîne atteint, dans ces conditions, 18 kilog. environ. La meilleure forme des aubes a été déterminée après plusieurs milliers d essais. On a reconnu qu'une très légère différence dans le. profil était susceptible d'amener de notables variations de puissance.

Régulateur Dieu (1887).

Un arbre vertical tourne dans un bain d'huile, sous l'action du moteur (fig, 137), Dans ce bain d'huile est plongée une hélice, libre de glisser le long de l'arbre, tout en participant au même mouvement de rotation. L'effort d'entraînement produit sur elle par la réaction du liquide est transmis à un tube cylindrique qui est porté par l'hélice, et qui forme gaine sur l'arbre du régulateur; le tube, chargé d'un poids, agit, par l'intermédiaire d'un levier coudé, sur la valve de réglage. Un écrou, vissé sur le tube, permet de faire monter ou descendre par rapport à l'hélice un disque qui, suivant sa position, obture plus ou moins des ouvertures ménagées dans la partie centrale de l'hélice : on peut ainsi régler à volonté l'effort éprouvé par cette dernière pour une vitesse donnée, de manière à modifier au besoin la vitesse de régime.

Cette description est empruntée au Scientific american (août 1887). Nous ferons remarquer qu'il n'est pas 1res logique d'équilibrer la réaction de l'hélice au moyen d'un poids exerçant sur elle un effort invariable, et que dans ces conditions l'appareil ne semble guère susceptible de stabilité. L'emploi d'un ressort donnerait certainement de meilleurs résultats. On ne voit pas non plus que des précautions suffisantes soient prises pour empêcher toute la masse fluide de prendre le même mouvement de rotation que l'hélice, auquel cas la réaction de celle-ci se trouverait annulée.

Fie. i 57. — Régulateur //ta/,

Régulateur Patrik de Laval (Stockholm 1894).

Nous trouvons ici une combinaison du régulateur à force centrifuge avec l'action d'un liquide s 'exerçant à peu près comme dans le régulateur des forges de Pencoyd. Un piston B mobile dans un cylindre A (fig. 158) reçoit sur sa face inférieure la pression de la vapeur qui arrive par l'orifice C, et ressort par l'orifice D. Une valve E, placée sur son passage et attachée au piston B, constitue l'organe de réglage. Sur la face supérieure du piston s'exerce la pression de l'eau d'alimentation de la chaudière, dont une dérivation arrive par l'ouverture J, et s'en va par l'ouverture G. A cette pression s'ajoute celle d'un ressort S, réglable à volonté.

L'eau qui circule de J en G commence par remplir un espace annulaire H, entourant

Fig. 158. — Régulateur Patrik de Laval.

Fie. 159. — Régulateur Bourd illiai.

un rétrécissement du piston, puis elle traverse des pertuis étroits, L et F, où elle subit une chute de pression, et elle arrive enfin en H,, sur la tête du piston. Cette chute de pression est réglée par une vis M, qui obture plus ou moins le passage de L en F. Le rôle du régulateur centrifuge U consiste à étrangler, au moyen d'un robinet T, le passage de l'eau qui, venant de G, retourne à la chaudière. Si T est complètement fermé, la chute de pression est nulle dans les pertuis : le piston est alors au bas de sa course, et le passage de la vapeur est intercepté par la valve E. Plus le robinet T est ouvert, plus la pression est basse sur la tête du piston, et plus la valve E se trouve ouverte. L'espace annulaire H recevant toujours l'eau à une pression à peu près égale à celle de la vapeur, il n'y a pas à craindre que la vapeur se fraye un passage autour dupislon vers le liquide, ou inversement. Une modification du système consiste à rendre automatique le jeu de la pièce d'étranglement M.

Régulateur Bourdilliat (1886).

Une pompe mue par la machine crée une circulation d'eau dans un conduit que ferme plus ou moins une valve actionnée par un régulateur à force centrifuge. Quand la vitesse augmente, la résistance due à la valve augmente également, et l'appareil absorbe ainsi une quantité de travail qui s'ajoute au travail utile pour rétablir l'équilibre avec le travail moteur. L'appareil Bourdilliat est donc un véritable régulateur de destruction ; il permet de supprimer les appareils & action indirecte servant à manœuvrer le vannage des machines hydrauliques, et l'expérience a montré qu'il donne dans ce cas d'excellents résultats. Il va

Fig. 160. — Régulateur Rûsch-Sendlner.

sans dire que, si la diminution de travail utile n'est pas simplement momentanée, mais doit persister un certain temps, le mécanicien doit, par raison d'économie, réduire le travail moteur en agissant à la main sur le vannage ; mais cette opération ne présente aucun caractère d'urgence, puisque le maintien de la vitesse de régime est constamment assuré par le régulateur de destruction. La fig. 159 montre l'aspect de l'appareil Bourdilliat, tel qu'il fonctionnait à l'exposition de 1889.

Régulateur Riïsch-Sendtner.

Cet appareil autrichien (fig. 160) est également un régulateur de destruction. Mais, pour absorber l'excès de travail moteur, il emploie celui-ci à agiter une masse liquide. Une

roue à palettes tourne dans une boîte qui, à l'état de régime, renferme simplement de l'air. Cette boîte est séparée d un réservoir d'eau par une valve normalement fermée. Quand la vitesse de régime est dépassée, un régulateur à force centrifuge entrouvre la valve ; de l'eau passe ainsi dans la boîte, et reçoit le choc des palettes qui la renvoient au réservoir par un conduit placé au haut de la boîte. Au besoin une circulation d'eau extérieure empêche 1 eehauifement du réservoir. L'inventeur déclare que cette manière d'absorber du travail entraîne moins d'usure et de frais d'entretien que l'étranglement d'une conduite parcourue par un courant liquide.