Pertes de chaleur. — On ne peut empêcher la chaleur

Sauvage. — Machike a. vArEon- ^

de se dissiper autour des machines, et il en résulte une perte assez importante. Malgré Taction salutaire des revêtements isolants (§ 123), les conduites, les cylindres et leurs boites à vapeur dégagent constamment des calories.

Par exemple, la surface extérieure du cylindre et de la tuyauterie d'une machine Gorliss, qui dépense 1 000 kg de vapeur à l'heure, est de 12 m^ ; le métal est en contact à l'intérieur avec la vapeur à 165® qui enveloppe le cylindre moteur. Sans revêtement isolant, on condenserait par heure, 40 kg de vapeur, perdant ainsi 20000 calories. Le revêtement isolant réduit cette quantité à 20 kg environ.

Le voisinage des passages de vapeur, pour l'admission et pour l'échappement, entraîne encore une perte de chaleur. Souvent une mince paroi de fonte sépare la boîte à vapeur du conduit qui débouche dans le condenseur : un flux incessant de chaleur se perd en traversant cette paroi .

38. Transformation du travail indiqué. — Le travail de la vapeur sur le piston, ou travail indiqué de la machine, n'est pas recueilli en totalité, car les frottements du moteur en consomment une part. Le travail effectif, que mesure un frein de Prony sur l'arbre d'un moteur, est réduit d'autant.

Les principales pièces frottantes sont les pistons contre les cylindres, les tiges dans leurs garnitures, les têtes de piston sur les glissières, les grosses têtes de bielles motrices autour des tourillons moteurs, les fusées de l'arbre dans les paliers. Il faut y ajouter les mécanismes de distribution : le tiroir ordinaire, non équilibré, absorbe un travail important en frottant sur sa table. En outre, les pompes du condenseur et les pompes alimentaires viennent prendre leur part du travail indiqué.

On peut prévoir le travail absorbé par les frottements d'une machine, en calculant les forces qui appuient l'une contre l'autre les pièces frottantes. La loi du mouvement de ces pièces est connue; il est vrai que les coefficients de

TRAVAIL DE LA VAPEUtt 67

frottement sont souvent incertains et qu'ils varient suivant le graissage.

Le frottement des pistons et des tiges dépend aussi du serrage de leurs garnitures. En prenant les valeurs extrêmes des coefïicients, on détermine deux limites de la puissance absorbée par les résistances passives. Mais ces prévisions sont rarement exactes, et, lorsqu'on ne peut pas installera la fois un indicateur et un frein de Prony sur une machine, on ne sait guère quelle fraction de la puissance indiquée elle rend.

Lorsqu'on fait varier la puissance effective produite, en modifiant les conditions du travail de la vapeur, et en conservant la même vitesse de marche, il est probable que la puissance consommée en frottements diminue légèrement quand la puissance produite est moindre. Lorsque la puissance effective devient nulle, la machine tourne à vide, et la puissance indiquée est entièrement absorbée par les résistances passives. On la mesure alors aisément avec l'indicateur.

On peut admettre que les machines à vapeur en bon état rendent en puissance effective de 80 à 90 p. 400 de la puissance indiquée. Dans certains cas, le rendement est supérieur, ou plus faible.

Assez forts dans les machines neuves, les frottements s'atténuent quand la marche a rodé les surfaces frottantes.

39. Dimensions des cylindres. — La puissance fournie par un même cylindre peut varier beaucoup; elle dépend de la pression de la vapeur qu'il reçoit, de la contre-pression à l'échappement, du degré de détente, et, plus généralement, des diverses circonstances de la distribution ; elle change avec la vitesse de rotation de la machine. Pour déterminer les dimensions qu'on donnera à un cylindre auquel on demande une certaine puissance, on fixe au préalable ces diverses conditions de marche. Il faut alors prévoir le dia-

gramme du travail de la vapeur. Une fois ce diagramme tracé, on en mesure l'ordonnée moyenne, ou la pression moyenne qui pousse constamment le piston : on en déduit le volume du cylindre donnant le travail demandé à chaque tour.

Cette méthode détermine seulement le produit de la surface du piston par la course, et on peut choisir arbitrairement, ou plutôt d'après d'autres considérations. Tune de ces dimensions. A égalité de volume engendré par le piston, deux cylindres sont équivalents, qu'ils aient un grand diamètre avec une faible course, ou un petit diamètre avec une longue course, sous réserve des différences secondaires dans le travail qui résultent de la variation des espaces libres et de l'action des parois.

En réalité, c'est un travail effectif qu'on demande à la machine, tandis qu'on déduit du diagramme le travail indiqué, qui surpasse le travail effectif dans une proportion calculée d'après les analogies connues.

Le tracé approximatif du diagramme n'est pas bien difficile, en tenant compte dans chaque cas des détails de la distribution et des laminages, à l'admission et à l'échappement, qui résultent de la section des passages et de la vitesse de la machine.

Une formule simple (dite de Poncelet et Morin) permet de calculer approximativement Tordonnée moyenne du diagramme. On suppose d'abord un diagramme tel que ABDEF (fig. 28), où la courbe de détente, BD, est une hyperbole équilatère ^

L'ordonnée moyenne se calcule alors parla formule kp^ —p^, p^ et P2 étant les pressions d'admission et d'échappement et le coefficient k dépendant du degré d*admission, c'est-à-dire du rapport de AB et de FE (fraction de la course pendant laquelle a lieu l'admission).

* Courbe telle que le produit de l'abscisse 06 par l'ordonnée 6B est constant.

Le tableau qui suit donne les valeurs de ce coefficient k pour divers degrés d'admission :

Degrés Valeurs correspondantes

d'admission. du coefficient k.

Pig. 28. — Diagramme de la formule de Poncelet et Morin, montrant le tracé d'un point quelconque de ITiyperbole BD, à l'aide d'un vecteur mené de et coupant l'ordonnée 6B.

Le diagramme réel aura une moindre surface que le diagramme hypothétique ABDEF, surtout dans les machines qui fonctionnent avec laminages et compression. On doit donc appliquer dans chaque cas un coefficient de réduction cà l'ordonnée moyenne calculée comme il vient d'être dit. Parfois on adopte la valeur assez forte 0,7.

Une nouvelle réduction est nécessaire pour passer du travail indiqué au travail effectif*.

* Par exemple, on veut développer 100 chevaux, avec une admission au cinquième et des pressions extrêmes de 6 et 0,2 kg par cm-, dans le cylindre unique d'un moteur à double effet, faisant 80 tours par minute. Un coup simple de piston doit produire

73 X 100 X «0 . aoAA 1 •.*.#- ^» 2S0O

^ „^ ou environ 2 800 kgm effectifs, et ^^-- ou 3 300 kgm

indiqués, en admettant que le travail effectif soit les 85 centièmes du travail indiqué. Le diagramme de Poncelet doit correspondre à

—- — OU à 4 700 kgm. Or l'ordonnée moyenne de ce diagramme est

de 6 X 0.522 — 0,2 ou 2,94 kg par cm*. La surface du piston, en centimètres carrés, multipliée par la course, en mètres, est donc

égale à — — ou 1 600. Avec un diamètre de 500 mm, la course sera de 815 mm.

La vitesse restant la même, on augmente ou on diminue la puissance en accroissant ou en réduisant la lonerueur AR de Tadmission.

40. Machines compound. — La machine compound se compose essentiellement de deux cylindres successifs de dimensions différentes, séparés par un réservoir intermédiaire ; le premier s'appelle cylindre à haute pression, ou admetteur, ou petit cylindre ; le second est le cylindre à basse pression, ou détendeur, ou grand cylindre. L'évolution théorique de la vapeur est la suivante : un volume AB de vapeur (fig. 29) à la pression p^ de la chaudière, est admis dansle petit cylindre, dont elle pousse le piston ; puis la vapeur se détend suivant BC pendant le reste de la course de ce piston. Elle est alors à une pression p\. qui est celle du réservoir intermédiaire; pendant le retour du piston, cette vapeur à la pression p\ s'échappe dans ce réservoir, la contre-pression sur le piston étant figurée par CD.

D'autre part, le réservoir fournit au grand cylindre, pendant l'admission, un même volume DC de vapeur à la pression p\ ; pendant la détente, suivant CE, cette vapeur pousse le piston jusqu'au bout de sa course.

En général, le volume du second cylindre ne pourra pas être assez grand pour que la détente soit complète jusqu'à la pression du condenseur, p^ : on aura donc chute de pression EF à l'échappement du grand cylindre, puis contrepression FG pendant le retour du piston.

En définitive, la surface du diagramme total ABEFG est partagée en deux parties : l'une, ABCD, figure le travail accompli par la vapeur dans le premier cylindre, l'autre, DCEFG, le travail dans le second. Les volumes des deux cylindres sont représentés par les longueurs DC et GF. Habituellement, les courses des deux pistons étant les mêmes, les surfaces des pistons sont proportionnelles à DC et à GF.

Si le volume admis dans le grand cylindre était plus grand

que DC, et égal à D'C, la pression p'j du réservoir serait plus faiblo : lo petit cylindre fournirait un travail plus fort ABCKD'; le grand cylindre ne donnerait que D'C'EFG et le total serait moindre que la surface du diagramme primitif, d'une quantité CKC.

Ce premier aperçu ferait juger la machine compound inférieure à la machine monocylindrique : l'examen des P

Fig. 29. — Diagramme théorique du travail dans les deux cylindres d'une machine compound. Travail de la vapeur dans le petit cylindre. ABGD ou ABCKD'; travail dans le grand cylindre, DGEFG ou D'C'EFG; perte triangulaire, GC'K.

diverses conditions réelles de l'évolution de la vapeur, dans la compound, montre une série de circonstances, favorables ou non, dont la résultante est en général avantageuse. Dans cette comparaison, la machine raonocylindrique équivalente a un cylindre égal au grand cylindre de la compound.

En ce qui touche la détente, elle reste incomplète, quand la pression d'échappement p.^ est basse, aussi bien avec la compound qu'avec la machine monocylindrique, puisqu'elle est forcément limitée au volume du dernier cylindre. Elle est incomplète aussi dans le premier cylindre de la compound, lorsque le diagramme se rapproche de ABCKD' (fig. 29), donnant lieu à Ir perte triangulaire CKC.

L'effet des espaces libres des cylindres se trouve atténué par la disposition de la compound, comparée à la machine réduite au grand cylindre seul : MA et M'A' (fig. 30) représentent ces deux espaces libres; s'il n'y avait aucune com-

s -\DiJ- \>r . .

pression de la vapeur, la chaudière devrait remplir l'espace libre du petit cylindre, ÏIA, plus petit que M'A', et déjà occupé par la vapeur à la pression p,' du réservoir; d'autre part cette vapeur du réservoir devrait remplir l'espace libre M'A', du grand cylindre. Uans la machine monocylindrique, c'est la vapeur à la pression p, de la chaudière qui remplit M'A' ou MA" :

la quantité de vapeur ainsi dépensée est plus

En outre, le petit cylindre de la compound se prèle à une compression complète, vu la valeur élevée de la pression d'échappé ment,p', : on peut dans ce cylindre s'approcher du diagramme ABCD, qui compense l'effet de l'espace libre.

Dans le grand cylindre, la compression relève la pression jusqu'à une valeur telle que OJ, qui s'approche plus de la pression p,' que de la pression p, : le poids de la vapeur, prise au réservoir pour remplir cet espace libre, se trouve

La disposition compound parait atténuer notablement l'action des parois. En désignant par Oj, Q,' et 0, les températures de la vapeur saturée aux pressions p,, p,' et p^, la température du (luide oscille entre 0[ et 0/ dans le petit cylindre, entre fl,' et 0^ dans le grand, tandis qu'elle oscillerait entre fl, et 6j dans le grand cylindre seul. Cette réduction des écarts de température diminue la condensation delà vapeur de la chaudière dans le petit cylindre, qui, en outre, présente des parois moins étendues que la machine monocylindrique; la vapeur ainsi condensée se revaporise pen-

Pi|f. 30. — Compression dans les espaces libres des deux cylindres d'une machine compound.

dant la détente et pendant l'échappement au réservoir. Dans le réservoir, s'il est bien enveloppé, il ne se produit guère de condensation. C'est en pénétrant dans le grand cylindre qu'une nouvelle condensation se fait sur les parois; l'eau condensée se vaporise pendant la détente et Téchappement final.

Si on considère, au lieu de la variation totale de température, celle du commencement à la fin de la détente, qui joue un rôle important dans ces phénomènes, la machine compound est également avantageuse.

Une partie de la vapeur se condense successivement deux fois : les poids ainsi condensés dans les deux cylindres peuvent être voisins l'un de l'autre, mais ne sont pas nécessairement égaux.

Les enveloppes de vapeur s'appliquent aux machines compound, qui se prêtent à des combinaisons assez variées. Le cylindre à haute pression se trouve enveloppé, comme celui d'une machine monocylindrique, par la vapeur à la pression d'admission, parfois par la vapeur même qui va y pénétrer. Le cylindre à basse pression peut être enveloppé de même par la vapeur à la pression de la chaudière : on obtient ainsi une enveloppe très active, mais consommant uoe assez forte proportion de vapeur quand la pression initiale est élevée. Diverses expériences pratiques de consommation semblent indiquer que cette disposition n'est pas toujours la plus avantageuse, et qu'il vaut mieux alimenter l'enveloppe du grand cylindre par la vapeur détendue jusqu'à une pression voisine de celle du réservoir.

Le réservoir peut aussi être réchauffé par une enveloppe et même par un faisceau tubulaire, où circule la vapeur de la chaudière : la vapeur y est alors séchée et même légèrement surchauffée. Cette disposition est séduisante, car en prenant à la chaudière une quantité de chaleur relativement faible, on améliore notablement la qualité de la vapeur dans le réservoir.

Néanmoins, les expériences pratiques de consommation

ne sont pas toutes favorables à ce réchauffage du réservoir, qui, parfois, augmente la dépense totale do vapeur. L'enveloppe du réservoir peut toutefois être justifiée par l'augmentation de puissance qu'elle donne*.

La surchauffe s'applique avec avantage aux machines compound : elle permet de réduire beaucoup les condensations dans le petit cylindre et d'en supprimer l'enveloppe sans inconvénient. L'évolution subséquente dans le grand cylindre est aussi améliorée.

La disposition compound augmente la perte de travail causée par le laminage, puisque la vapeur est laminée à l'admission et à l'échappement de chacun des deux cylindres successifs. Par contre, l'effet des fuites intérieures est moindre, la chute totale de pression étant partagée en deux par le réservoir intermédiaire.

La disposition compound augmente la surface extérieure des appareils; une machine monocylindrique se réduit au cylindre à basse pression seul de la compound équivalente. Toutefois, si l'enveloppe de ce cylindre n'est pas chauffée

* Par exemple, des expériences de M. Witz, sur une machine compound construite par Dujardin, ont donné les nombres qui suivent. Les deux cylindres ont pour diamètres 660 et 4 150 mm, avec une course de 1 330 mm ; le nombre de tours par minute est 64; les pressions extrêmes sont 6 kg et 0,13 kg par cm* en moyenne ; la puissance indiquée varie de 540 à 560 chevaux. Les consommations moyennes de vapeur, pour 270 000 kgm indiqués (ou par cheval-heure) ont été d'environ :

6,5 kg quand aucune enveloppe n'était chauffée ;

6,1 avec les enveloppes des cylindres et du réservoir chauffées ;

6,0 avec les enveloppes des deux cylindres chauffées.

La vapeur des enveloppes avait la pression de la chaudière.

Les proportions (en poids) de vapeur condensée dans les enveloppes, par rapport à la consommation totale, étaient, dans la seconde expérience :

1,75 p. 100 dans l'enveloppe du petit cylindre:

2,12 — — — — grand —

8,32 — — — du réservoir.

Dans la troisième expérience, on a condensé :

1,75 p. 100 dans l'enveloppe du petit cylindre;

3,56 — — — grand —

directement par la vapeur de la chaudière, la température intérieure se trouve réduite dans le grand cylindre, ce qui établit une certaine compensation entre les quantités do chaleur perdues extérieurement par les deux machines.

Des raisonnements analogues s'appliquent à la transformation du travail indiqué en travail effectif : la multiplicité des organes de la compound semble augmenter les résistances passives, mais la réduction des pressions diminue le frottement de la plupart de ces organes. En général, le déchet, de ce chef, sera un peu plus fort dans la compound. Il n'en est pas de même si l'on est conduit à doubler la machine monocylindrique, en montant deux cylindres pour un seul arbre.

Comment doit-on fixer*, dans une machine compound, la pression moyenne p\ du réservoir par rapport aux pressions extrêmes Pi etpj? La pression du réservoir est parfois choisie de manière à ce que chacun des deux cylindres produise à peu près le même travail : cette répartition du travail est la plus convenable quand les deux pistons commandent deux manivelles d'un même arbre. Avec deux cylindres en tandem, elle n'a plus d'intérêt; elle doit être modifiée pour la compound à trois cylindres et trois manivelles, où le cylindre à basse pression est divisé en deux 2.

Quant au volume du réservoir, il peut être assez grand pour que les variations de la pression y soient peu sensibles; mais, avec la capacité, le poids et l'encombrement augmentent, ainsi que la perte extérieure de chaleur : aussi préfèret-on souvent de petits réservoirs, où les fluctuations de la pression sont assez importantes. Les variations de pression

* 11 faut remarquer qu'en réalité on ne fixe pas à volonté cette pression p^ du réservoir, mais qu'elle s'établit d'après les conditions d'admission dans le grand cylindre et d'échappement du petit.

* Pour éviter des dimensions trop grandes du cylindre à basse pression, ou pour multiplier le nombre des manivelles motrices, on peut diviser ce cylindre en deux moitiés, alimentées toutes deux parle réservoir.

'éd MANUEL D£ LA MACHINE A VAPEUB

sont peu sensibles quand le volume du réservoir atteint celui du grand cylindre. Ces variations dépendent en outre du nombre des cylindres et du calage des manivelles.

On peut admettre, pour une estimation rapide, que le volume d'admission dans le grand cylindre doit être à peu près égal au volume du petit cylindre.

Outre les différentes qualités de la machine compound énumérées plus haut, elle permet de détendre suffisamment la vapeur avec une assez faible détente dans chacun des cylindres. L'effort moteur pendant une course varie moins que dans la machine monocylindrique, et la disposition compound permet de tirer bon parti de la distribution simple par tiroir.

Pour calculer rapidement les volumes des cylindres d'une machine compound devant produire une puissance déterminée dans des conditions données, on cherchera, par la formule donnée plus haut, le volume du cylindre de la machine monocylindrique qui donnerait même puissance en recevant le même volume de vapeur à la même pression initiale. Ce sera le cylindre à basse pression de la compound. Le cylindre à haute pression se détermine d'après la proportion admise entre les volumes des deux cylindres. Le plus souvent le grand cylindre est de 2, 5 à 3 fois plus grand que le petit. Quelquefois ce rapport descend jusqu'à 2; dans d'autres cas il est plus grand que 3.

Les courses étant les mêmes, le rapport des volumes est égal au rapport des carrés des diamètres des cylindres; par exemple, si le cylindre à haute pression a 500 mm de diamètre, le rapport des volumes sera 2 — 2, 5 — 3 pour des diamètres de 707 — 791 — 866 mm du cylindre à basse pression.

Quand on relève à l'indicateur des diagrammes sur les deux cylindres d'une machine compound, ces diagrammes ont habituellement même longueur, bien qu'ils se rapportent à des cylindres de volumes différents. Pour comparer directement ces diagrammes, on les transforme en modifiant,

pour l'un d'eux, les abscisses, de manière à les rendre proportionnelles aux volumes des cylindres. On groupe alors ces diagrammes par rapport à deux axes de coordonnées, de manière à figurer pour chacun, par une abscisse, l'espace libre correspondant (fig. 31). On obtient ainsi ce qu'on nomme le diagramme totalisé. Ce groupement est quelque peu arbitraire dans les p machines à double effet, car chaque cylindre fournit deux diagrammes, et, généralement, les courses des divers pistons ne commencent pas en même temps : d'ailleurs, les deux diagrammes de chaque cylindre sont rarement identiques, à cause des irrégularités de la distribution et des fluctuations de la pression dans les réservoirs.

a CL

Fig. 31 . — Diagramme totalisé de machine compound.

Oa, espace libre du petit cylindre. — ah, volume du petit cylindre. — Oa' et ab\ espace libre et volume du grand cylindre.

41. Machines de Woolf. — Comme la compound, la machine du système Woolf di deux cylindres de dimensions différentes, qui communiquent, Tun avec la chaudière, l'autre avec le condenseur; mais il n'y a plus de réservoir entre les cylindres : les deux pistons ont une marche concordante et la vapeur passe immédiatement d'un cylindre dans l'autre, les passages formant des espaces libres en général assez grands.

Sur le diagramme théorique du travail, on représente en AB (fîg. 32) Je volume de vapeur à la pression initiale p^ qui pénètre dans le premier cylindre et qui s'y détend jusqu'au volume H de ce cylindre, suivant la courbe BI. Pendant le retour du piston, les deux cylindres sont en communication; la vapeur continue à se détendre, en passant du volume H au volume V du second cylindre, suivant la courbe JE. Enfin

la vapeur s'échappe dans le condenseur à la pression p^» pendant le retour du piston du second cylindre (droite FD). La détente est supposée incomplète. Le travail total est représenté par Taire ABEFD; pour connaître la fraction de ce travail fournie par chaque cylindre, on construit la courbe ID' qui représente la contre-pression sur le petit piston pendant son retour, contre-pression égale à chaque

Fig. 32. — Diagramme théorique de la machine de Woolf; travail de la vapeur dans le premier cylindre, ABID'; travail dans le second cylindre, lEFDD'.

instant à la pression motrice sur le grand piston. Le travail du petit cylindre est représenté par Taire ABID', celui du grand par lEFDD'; cette répartition est bien différente de celle que donne la machine compound.

Les diagrammes relevés à l'indicateur sur les machines de Woolf, pour les courses simples correspondantes des deux pistons, se présentent comme sur la figure 33 : AB montre Tadmission de vapeur à la pression p^, dans le petit cylindre; BI, la détente dans ce cylindre ; IL, une chute de pression à Téchappement de ce cylindre; LK, la contre-pression décroissante sur le piston pendant sa course de retour; KA, la compression dans le petit cylindre à la fin de cette course

de retour. Le grand cylindre donne le diagramme L'K'EFJP (L'K', détente de la vapeur pendant la communication des deux cylindres ; K'E, fin de la détente, dans le grand cylindre seul; EFJ échappement et JP compression). Ce second diagramme est relevé sur un cylindre de volume V; pour le comparer au premier, il faut en multi- /^ plier la surface par le rapport -||- .

La machine de Woolf a, sur la machine monocylindrique, une partie des avantages de la compound, mais paraît inférieure en principe à cette dernière. Les écarts de la température de la vapeur dans chaque cylindre sont, pour le premier ti et f'2, pour le second t\ et t^y t\ étant plus élevé que t'^- Au lieu de s'arrêter à une limite commune, comme dans une compound à grand réservoir, les températures extrêmes dans les deux cylindres chevauchent. Lorsque le réservoir de la compound est petit, il se produit de même des fluctuations assez fortes de la pression lors de l'échappement du petit cylindre et de l'admission dans le grand.

Fiff. 33. — Diagrammes relevés sur une machine de Woolf.

42. Triple et qaadruple expansion. — La théorie des machines à triple expansion est analogue à celle des machines compound : un cylindre à haute pression (fig. 3i) reçoit la vapeur de la chaudière, à la pression p^, et la laisse échapper dans un premier réservoir, où règne la pression p\ ; ce réservoir alimente un cylindre intermédiaire, dont l'échappement se fait dans un second réservoir, sous la pression p'\; la vapeur traverse ensuite le cylindre à basse pression, qui communique enfin avec le condenseur.

Le diagramme théorique (fig. 35) est découpé en trois tranches par deux parallèles à l'axe OV, au lieu d'être partagé en deux parties seulement comme dans la compound.

En réalité, il y a généralement une chute de pression à

eo H

O « fc,

l'échappement de chaque cylindre ; les pressions dans les

réservoirs sont un peu moindres que w'^ et p'\, et il en résulte un déchet sur le travail total, figuré par les surfaces triangulaires couvertes de hachures.

Plus encore que dans la compound, à égalité des pressions extrêmes, on réduit les écarts de température dans chaque cylindre, l'influence des espaces libres, et on facilite la compression complète de la vapeur dans ces espaces ; toutefois

Fig. 35. — Diagramme théorique de la machine à triple expansion.

cette division du diagramme en trois parties n'est guère pratique que lorsque les écarts des pressions extrêmes p^ et P2 sont assez grands, par suite de l'accroissement de la pression pj. En fait, l'écart des pressions dans les deux derniers cylindres, à moyenne et à basse pression, des machines à triple expansion qu'on construit aujourd'hui est à peu près le même que dans les cylindres des compound construites il y a quinze ou vingt ans. Les valeurs de la pression initiale p^ sont fréquemment comprises entre 10 et 12 kg par cm^ et dépassent même ce dernier nombre.

On a transformé des machines compound en machines à triple expansion, en augmentant la pression initiale de la vapeur et en ajoutant un cylindre, qui reçoit la vapeur sous cette pression majorée et la laisse échapper dans un réser-

Sauvagi. — Machine a vapeur. • 6

UANUEL DE LA

voir; ce réservoir alimente le cylindre à haute pression de la compound. devenu cylindre à moyeniu pression.

FiR. 3S. — Machine p[1on à Iriple expansion, b quatre cylindres. construite par Weyhcr et Richemond; coupe lonf^itudinale des cylindres. La distribution se Tait dans les cylindres I et U par Uroirs cylindriques. Pour les deux demi-cylindres lit el lir il y a des tiroirs plans placés latéralement.

Dans les machines entièrement neuves, on cherche souvent à donner aux trois cylindres des proportions telles que chacun produise le tiers du travail total, quand chaque

TBAVAiL DB LA VAPEUR 83

cylindre commande une manivelle d'un arbre unique, les trois manivelles étant calées à 120°. Pour n'avoir que deux manivelles, on place en tandem deux des trois cylindres ; sou. vent alors on divise en deux le dernier cylindre, et la machine comprend deuxgroupesde deux cylindresen tandem (fig. 36). Les volumes des cylindres ont des rapports assez variables dans les machines à triple expansion. On peut indiquer

Fig. 37. — Diagramme totalisé d'une maclilne â triple expansion.

les proportions 1 — 2,5 à 2,8 — 6 à 7 pour les trois cylindres successifs. Quand ledernier cylindre est divisé en deux, c'est la somme des volumes de ces deux parties qui forme le troisième terme de la série.

Les deux réservoirs intermédiaires sont en général assez petits, pour ne pas encombrer la machine et ne pas exagérer le refroidissement extérieur. Aussi constate-l-on souvent des fluctuations de la pression dans les réservoirs pendant un tour de la machine, fluctuations qui n'ont pas grand inconvénient quand elles ne sont pas excessives.

Pour tracer le diagramme lolalisé, on amplifie les abscisses des diagrammes d'indicateur relevés sur le moyen et le grand cylindre suivant les rapports des volumes de ces cylindres au volume du petit cylindre. Les surfaces donnent alors à la même échelle le travail obtenu dans chaque cylindre (fig. 31).

L'usage des machines à triple expansion est général pour

ÎRAVAiL DE LÀ VAPEUJi Se

les constructions de la marine, comme était celui de la compound il y a vingt ou vingt-cinq ans. On les emploie aussi comme moteurs fixes.

On peut pousser encore plus loin la division du diagramme théorique, en employant quatre cylindres successifs et trois réservoirs intermédiaires. C'est ce qu'on fait quelquefois pour des machines marines et fixes avec une pression initiale élevée. La quadruple détente se prête bien à l'emploi de deux groupes en tandem, avec deux manivelles à angle droit (fig. 38). La proportion des volumes des cylindres sera par exemple, 1 — 2,25 — 5 — 11, ce qui donne,

avec une même course, pour les rapports des diamètres, 1 — 1,5 — 2,24 — 3,32.

Le diagramme totalisé se construit toujours d'après les mêmes principes (fig. 39).

Fig. 39. — Diagramme totalisé d'une machine à quadruple expansion.

43. Vapeurs combinées. — Les machines à vapeurs combinées se composent de deux moteurs, actionnés l'un par la vapeur d'eau, l'autre par la vapeur d'un liquide plus volatil, tel que l'éther; la vapeur d'eau s'échappe du premier moteur dans un condenseur à surface (chap. x), refroidi, non par un courant d'eau à la manière ordinaire, mais par le liquide volatil, qui se vaporise aux dépens de la chaleur abandonnée par l'eau qui se condense.

Le condenseur du premier moteur sert de chaudière à l'autre : dans ses deux enceintes, que sépare une surface métallique suffisamment étendue, la température est à peu près la même, mais à cette température (60*^ environ).

la pression de la vapeur d'eau est faible, tandis que la pression du second liquide est beaucoup plus grande*.

Après avoir travaillé dans le second moteur, la vapeur du second liquide se liquéfie dans un condenseur à surface, entretenu à une température aussi basse que possible par un courant d'eau. Une pompe alimentaire renvoie le liquide au condenseur évaporatoire.

Du Tremblay a employé Téther, et Lafont, le chloroforme, vers 4850. Dans les machines récentes de Behrend et Zimmermann, le second liquide est l'anhydride sulfureux (nom usuel, acide sulfureux).

Cette combinaison a un avantage : dans la machine ordi-

Fig. 40. — Diagrammes théoriques des machines à vapeurs combinées. Le point E est en dehors de la figure, vers la droite, à Tintersection de la courbe de détente BG et de la droite FG.

naire, la vapeur d'eau évolue entre des températures qui sont, par exemple. 180<> et 20° : mais la pression et la densité de la vapeur deviennent si faibles vers cette limite inférieure, qu'il faudrait un cylindre de dimensions inacceptables pour en utiliser toute la détente : le diagramme complet serait ABCEF (fig. 40) ; aussi ne réalise- t-on que le diagramme ABCGF, FG représentant le volume du cylindre, et on perd le travail représenté par la surface CEG. Dans la machine à vapeurs combinées, la vapeur d'eau en se condensant vaporise un fluide dont la vapeur a une pression

* Pressions de la vapeur à 60« : eau, 0,2 kg par cm"; éther, 2,35; chloroforme, 1 kg par cm*. A 70«, ces pressions sont respectivement 0,32 — 3,12 — 1,4 kg par cm».

beaucoup plus élevée : par exemple, cette pression est représentée par Tordonnée OA', tandis que la pression de la vapeur d'eau, à la même température, est OD. A la température finale de condensation cette pression est OD' au lieu de OF pour l'eau. On a ainsi une vapeur pratiquement utilisable dans un cylindre pour produire -du travail, parce qu'elle exerce une pression suffisamment forte par cm» ; on obtient le travail A'B'G'D' dans un cylindre de volume D'C. Il faut bien remarquer que tout le travail ainsi recueilli dans le second cylindre n'est pas un bénéfice net supplémentaire par rapport à la machine à vapeur d'eau seule ; car la vapeur d'eau est condensée à une température plus élevée et, par conséquent, la contre-pression à l'échappement est plus forte ; cette contre-pression sera OD au lieu de OF, et le travail du premier cylindre est réduit de la quantité DHGE. Mais cette réduction est moindre que la quantité gagnée dans le second cylindre. On remarquera que le travail GG"H de la détente de la vapeur d'eau n'est pas recueilli si le premier cylindre a un volume OG, au lieu de OG' : c'est une perte analogue à la perte triangulaire dans le diagramme des compound.

En pratique, le transfert de chaleur de la vapeur d'eau au fluide volatil ne va pas sans quelque perte de chaleur au dehors ; en outre, la température de l'eau qui se condense est un peu plus élevée que celle du fluide volatil qui se vaporise, ce qui diminue la pression de ce fluide.

Gertaines précautions sont nécessaires pour la marche de ces machines : il faut que tous les joints soient parfaitement étanches, ainsi que les garnitures de tiges de piston, afin d'éviter toute fuite du second fluide, fuites qui seraient fort gênantes et, en outre, exigeraient le renouvellement d'une substance assez coûteuse. Les condenseurs doivent aussi avoir une étanchéité parfaite. Avec l'anhydride sulfureux, il est indispensable d'éviter la moindre introduction d'eau qui formerait de l'acide sulfurique, destructeur des appareils. Il ne faut non plus aucune graisse dans le

cylindre ; mais le graissage ne parait pas nécessaire dans ce cas.

Comme exemple de cette combinaison, une machine à triple expansion du collège technique de Gharlottembourg a été complétée par l'addition d'un cylindre à anhydride sulfureux. Les cylindres à vapeur d'eau ont des diamètres de 270, 430 et 670 mm, avec course de 505 mm ; le cylindre à anhydride sulfureux a 256 sur 505 mm ; le nombre commun de tours est de 150 par minute. La première machine produit 150 chevaux, la seconde 60, mais l'augmentation réelle de puissance est moindre que 60 chevaux, parce que la seconde machine réduit un peu la puissance développée par la première.

La surface du vaporisateur à anhydride sulfureux (condenseur pour la vapeur d'eau) doit être de 3 à 4 m* par cheval de la machine actionnée par ce fluide ; celle du condenseur final est de 1 à 1,5 m^ par cheval de la même machine. Vaporisateurs et condenseurs doivent être munis de soupapes de sûreté.

Tandis que les meilleures machines à vapeur d'eau seule dépensent environ 5 kg de vapeur par cheval-heure indiqué S cette dépense peut être abaissée à 4 kg par l'emploi du second fluide. Ainsi que le faisait remarquer feu M. le professeur ïhurston, le succès définitif de ces appareils dépend de leur économie totale et pratique, de leur sécurité, et de la facilité de leur entretien, questions qu'une longue pratique peut seule trancher 2.

Les premières applications du principe, vers 1850, n'eurent pas de succès pratique prolongé ; elles ont disparu au bout de quelques années. Il convient de remarquer que l'introduction de la machine compound, vers cette époque, a donné de telles économies, pour les appareils de navigation,

* Avec la vapeur surchauffée, on a obtenu des consommations inférieures à 5 kg.

' Voir sur ces appareils le Bulletin de la Société d'encouragement pour l'industrie nationale, déc. 1901. p. 798, et déc. 1902, p. 841.

que celte cause a pu contribuer à faire délaisser les machines à éther et à chloroforme. La machine compound peut être envisagée aussi comme une sorte de machine à vapeurs combinées, mais où le même fluide travaille dans les deux cylindres successifs.

U. Essais des machines. — L'observation précise des machines est nécessaire pour en étudier la théorie comme pour en apprécier le fonctionnement pratique. Les deux quantités fondamentales à déterminer sont le poids de la vapeur consommée et le nombre des kilogrammètres produits dans un temps donné.

La consommation de vapeur se mesure par le jaugeage de l'eau d'alimentation introduite dans la chaudière qui la produit, le niveau de l'eau dans cette chaudière étant exactement le même au début et à la fin de Fessai. Pour que cette mesure corresponde effectivement à la consommation delà machine, il faut qu'aucune fuite n'existe à la chaudière et à la tuyauterie de vapeur, et que les soupapes de sûreté ne se soulèvent pas pendant l'essai *.

Uuand on dispose d'un condenseur à surface, on peut jauger l'eau qui provient de la condensation de la vapeur qui a traversé la machine, il faut vérifier que ce condenseur est bien étanche et ne donne lieu à aucune rentrée de l'eau de circulation, qui se mêlerait à l'eau condensée recueillie.

Lorsque le cylindre du moteur est muni d'une enveloppe dont l'eau retourne directement à la chaudière, cette dépense de vapeur n'est pas mesurée dans les deux méthodes qui viennent d'être indiquées ; et cependant elle correspond à un apport de chaleur fournie par la chaudière. Dans les essais précis, on recueille à part l'eau condensée dans les enveloppes.

On mesure la pression de la vapeur, qu'il faut maintenir

* On trouvera dans le chapitre relatif aux chaudières des détails sur la mesure de la dépense de combustible.

aussi constante que possible pendant la durée de l'essai, à l'aide d'un manomètre placé sur la boîte à vapeur du cylindre, où elle peut être moindre qu'à la chaudière *.

Quand la machine fonctionne à condensation, on relève la pression dans le condenseur ; il est bon d'y prendre aussi la température 2, à l'aide d'un thermomètre placé à la sortie de l'eau.

Il est utile de déterminer le degré d'humidité de la vapeur à son arrivée au moteur, mais cette mesure est assez délicate, et sort du cadre des essais pratiques ordinaires. Quand on fait usage de vapeur surchauffée, la mesure de la température est facile et doit toujours être faite dans un essai ^,

La mesure du travail se fait avec l'indicateur. Pour une expérience précise, il faut que le régime de la machine soit bien uniforme pendant toute la durée de l'essai. On doit donc maintenir avec aussi peu de variations que possible la résistance opposée à la machine, la pression de la vapeur, et le degré d'admission. On relève des diagrammes à intervalles égaux, plus ou moins rapprochés suivant la nature de l'expérience (scientifique ou de contrôle).

A l'aide d'un compteur de tours, dont on observe de temps en temps les indications, on mesure la vitesse de rotation.

* Ne jamais oublier d'indiquer, en inscrivant des pressions, s'il s'agit de pressions absolues ou effectives.

* Cette température ne correspond pas à la pression de vapeur saturée, à cause de la présence d'une certaine quantité d'air dans le condenseur (voir chap. x).

^ Pour mesurer la température de la vapeur, on ménage sur la paroi de la conduite un trou taraudé, dans lequel on visse un tube de petit diamètre, ouvert à l'extérieur, fermé à l'autre bout, qui pénètre jusque vers le milieu du courant de vapeur. On place ce tube verticalement, ou avec une forte inclinaison, l'ouverture étant à la partie supérieure, de sorte qu'on y puisse verser un liquide, mercure ou huile, qui prend la température de la vapeur et dans lequel plonge le thermomètre. Il peut y avoir de très petits écarts entre la température réelle de la vapeur, et celle qu'indique le thermomètre ainsi disposé.

Le travail total produit pendant l'essai se déduit des ordonnées moyennes des diagrammes, dont on peut prendre la moyenne générale s'ils présentent peu d'écarts, et du nombre de tours de l'arbre. Connaissant les dimensions des cylindres (diamètre et course*), on calcule aisément le nombre de kilogrammètres, ou de chevaux-heures.

A un autre point de vue, l'examen du diagramme permet d'apprécier le réglage de la distribution.

La durée de l'essai doit être aussi longue que le permettent les conditions de fonctionnement de l'appareil. Il est bon d'y consacrer une journée entière, en profitant des diverses périodes de marche sans arrêt.

Cette méthode donne la puissance indiquée. Il est intéressant de connaître aussi la puissance effective, relevée à l'aide d'un dynamomètre. Mais cette mesure exige en général des installations difficiles et coûteuses. On peut obtenir une indication approximative du rendement mécanique (rapport de la puissance effective à la puissance indiquée), en mesurant avec l'indicateur la puissance consommée par la machine tournant à vide : pour cela, on réduit l'admission, ou on lamine la vapeur suivant les cas. On admet que la puissance consommée par les résistances passives de la machine reste la même quand elle travaille à vide et à pleine charge, ce qui n'est évidemment pas rigoureux.

Dans certaines installations, on peut mesurer directement le travail utile produit, par exemple la quantité d'eau élevée à une hauteur connue par une pompe, l'intensité et la tension d'un courant électrique. Mais on voit que ce résultat utile dépend de deux rendements successifs, dans le moteur et dans la pompe ou la dynamo qu'il commande.

Ayant mesuré la quantité de vapeur dépensée et la quan-

* Le diamètre doit être relevé exactement en profitant d'un démontage du plateau du cylindre. On doit aussi tenir compte de la dilatation produite par la chaleur. Une élévation de température de 180» augmente le diamètre d'environ 0,002, et le volume de 0,004.

tité de travail indiqué produite, on voit ce qu'exige un cheval-heure. Pour avoir une appréciation précise du moteur, il faut déterminer la dépense de vapeur qu'exigerait le cycle théorique, entre les mêmes pressions à l'admission et à réchappement : on voit de combien la machine réelle s'écarte de la machine fictive parfaite!

Au lieu du poids de vapeur, qui ne constitue pas une unité précise, parce que la quantité de chaleur nécessaire pour la produire varie suivant la température initiale de l'eau d'alimentation, la pression, l'état d'humidité ou de surchauffe, il est préférable d'indiquer, pour la machine réelle et pour la machine idéale, les quantités de chaleur correspondantes, qu'il est facile de calculer dans chaque cas, à l'aide des nombres donnés dans les tables.

Ci-dessous on trouvera quelques exemples des consommations de bonnes machines :

MACHINE CORLISS DU CREUSOT ; CYLINDRE DE 550 SUR 1 100 MU, AVEC ENVELOPPE DE VAPEUR; MARCHE A CONDENSATION

Pression effective moyenne de la vapeur. 7,75 kg par cm*

Admission, en centièmes de la course . . 42,5

Nombre de tours par minute 58,1

Puissance indiquée, en chevaux 215

— effective — 177,4

Consommation de vapeur par cheval -

heure indiqué 7,87 kg

Poids de vapeur condensée dans l'enveloppe, par kg de la dépense totale ... 32 g

MACHINE GOMPOUND A SOUPAPES DE SULZER ; CYLINDRES DE 320 ET 525 SUR 900 MM, AVEC ENVELOPPES DE VAPEUR; MARCHE A CONDENSATION

Pression effective de la vapeur 9,15 kg par cm'

Nombre de tours par minute 85

Puissance indiquée en chevaux 182,6

Consommation de vapeur par cheval -

heure indiqué . 6,5 kg

La même machine, avec vapeur surchauffée de 82®, et pression effective de 9,06 kg par cm^, produisant 175,6 chevaux indiqués, a dépensé 5,58 kg par cheval-heure.

MACHINE GOMPOUND A DISTRIBUTEURS VAN OEN KERCHOVE ; CYLINDRES DE

32b ET 560 SUR 850 mm, avec enveloppes; marche a condensation (essais de m. le professeur schrÔter, en 1902).

1« Vapeur saturée.

Pression effective moyenne de la vapeur. 8,93 kg par cm*

Nombre de tours par minute 126,9

Puissance indiquée en clievaux 167,65

Consommation de vapeur par cheval heure indiqué 5,28 kg

Condensation dans l'enveloppe du cylindre à haute pression, par kg de la dépense totale 49,8 g

Condensation dans l'enveloppe du cylindre à basse pression 87,2 g

Dépense de calories par cheval -heure indiqué 3490

2' Vapeur surchauffée.

Pression effective moyenne de la vapeur. 9,21 kg par cm*

Surchauffe (au-dessus de la température de saturation) 124«.4

Nombre de tours par minute 126,9

Puissance indiquée en chevaux 167,65

Consommation de vapeur par cheval heure indiqué 4,31 kg

Condensation dans l'enveloppe du cylindre à haute pression, par kg de la dépense totale 3,8 g

Condensation dans l'enveloppe du cylindre à basse pression 35,1 g

Dépenses de calories par cheval-heure indiqué 3130

MACHINE A triple EXPANSION, A SOUPAPES, DE SULZËR ; CYLINDRES DE

865,2 — 1250 — DEUX de 1550,1 sur 1300 mm, avec enveloppes ; uarche a condensation.

Pression effective de la vapeur 13,33 kg par cm*

Nombre de tours par minute 83,5

Puissance indiquée en chevaux 3040,4

Consommation de vapeur par cheval -

heure indiqué 5,259 kg

La même machine, avec vapeur surchauffée de 116® et pression effective de 12,83 kg par cm^, produisant 2883,3 chevaux indiqués, a dépensé 4,27 kg par cheval-heure.