CHAPITRE III
18. Modes d'action de la vapeur. — On utilise Taction motrice de la vapeur, produite dans une chaudière, de deux manières essentiellement différentes : on la fait agir par sa pression ou par la force vive du jet qui s'écoule de la chaudière dans Tenceinte à pression inférieure, condenseur ou atmosphère. La pression s'exerce sur un piston circulaire qui se meut dans un cylindre^ : c'est de beaucoup le mode d'emploi le plus fréquent. Dans les machines rotatives, la pression agit sur des pièces mobiles de formes diverses. Enfin, elle s'exerce directement sur un liquidée élever, dans le pulsomètre actuel et dans l'antique machine de Savery.
Les jets de vapeur sont employés de deux manières différentes ; ou bien ils entraînent un autre fluide, gazeux ou liquide, et constituent des souffleries et des appareils élévatoires (souffleurs et aspirateurs d'air, éjecteurs à air et à eau, injecteurs) ou bien ils agissent sur les aubes d'une turbine et leur communiquent un mouvement de rotation '.
19. Cylindres et pistons. — Le piston circulaire se mouvant dans un cylindre est un organe mécanique fort ancien et qu'il était naturel d'utiliser pour la machine à vapeur.
* L'expression géométrique exacte est cylindre de révolution^ ou cylindre droit à bcise circulaire; rexpression cylindre est, en géométrie, beaucoup plus générale.
* Afin d'éviter des répétitions peu utiles, il ne sera question dans le présent chapitre que des machines où la vapeur agit par pression.
La difficulté était d'exécuter, avec une précision suffît les cylindres de grand diamètre et de grande coura étaient nécessaires. C'est ainsi qu'une machine de Ne men avait un cylindre de 1,68 m de diamètre sur 3 i course : la production d'une aussi grande pièce de fonU remarquable pour l'époque.
Le piston doit former joint étanche contre la surface cylindre. Au début, on s'est servi des procédés en usagée p les pistons des pompes, entourés de matières tenaces plastiques, telles que des tresses de chanvre. Cette gar ture en chanvre se loge dans une gorge que porte la si face cylindrique extérieure du piston. Mais avec l'élévatu de la pression et, par suite, de la température de la vapeu ces matières végétales sont devenues insuffisantes, parc qu'elles se carbonisaient rapidement ; on les a remplacée, par des pièces métalliques. On a d'abord muni le pister d'une série de pièces, ou segmentSyen forme d'arcs de cercle, pressés contre le cylindre, avec d'autres pièces intérieures recouvrant les joints que les segments laissent entre eux. Puis on est arrivé à la disposition actuelle des bagues élastiques fendues encore appelées, à tort, segments (voir § 73).
Le double effet, qui utilise les deux faces du piston pour recevoir le travail de la vapeur, est un grand perfectionnement ; alors la tige du piston doit traverser le couvercle ou plateau qui ferme le cylindre, en passant à travers un bourrage qui empêche les fuites. Composé d'abord et pendant longtemps de matières végétales, chanvre, tresses de coton, serrées autour de la tige, par le presse-é loupe, dans un logement ménagé dans le plateau, ce bourrage a été remplacé par des garnitures métalliques, résistant aux températures les plus élevées de la vapeur.
20. Transmission du mouvement du piston. — Le mouvc ment rectiligne alternatif du piston moteur peut être directement utilisé dans certains cas, notamment pour la commande du piston d'une pompe. Dans les premières
appiications, à Tépuisement des mines, comme les pompes étaient installées dans un puits, on a été conduit à placer le cylindre moteur verticalement à côté du puits, et à établir la liaison par un balancier, oscillant sur un support fixe : la tige des pompes et le piston étaient attachés aux extrémités du balancier par des chaînes.
Mais quand les applications de la machine à vapeur se sont multipliées, on a désiré obtenir un mouvement de rotation, soit qu'il fût directement utilisable, par exemple pour faire tourner un laminoir ou un ventilateur, soit pour la transmission et la distribution de la puissance motrice à divers appareils, au moyen d'arbres de couche. Ce mouvement circulaire est d'ailleurs si commode qu'on le trouve dans la plupart des machines-outils, même lorsque le mouvement final nécessaire est rcctiligne, comme dans une machine à raboter.
La transformation du mouvement rectiligne alternatif en mouvement circulaire se fait simplement au moyen d'une bielle, dont une extrémité (la petite tête ou le pied) s'articule sur un tourillon que porte une extrémité de la pièce à mouvement rectiligne (la tête ou crosse de piston), et dont l'autre extrémité (la grosse tête) est articulée sur un tourillon faisant corps avec une manivelle calée sur l'arbre, tourillon dont le centre décrit un cercle. La tête de piston est guidée en ligne droite par des patins qu'elle porte et qui frottent sur les glissières, solidement attachées au bâti. Dans la machine à simple effet, la bielle peut être articulée sur le piston même, qui n'a plus de tige, mais auquel on donne une longueur sudisantc pour qu'il soit bien guidé en ligne droite, sans que le coincement ou arc-boutement dans le cylindre soit à craindre.
Ce système de transmission, très simple, et dont les applications sont innombrables, est fort ancien. On voit qu'il se compose de quatre parties essentielles : le bâti, avec le cylindre, les glissières, les paliers de l'arbre, c'est-à-dire la partie fixe, invariablement reliée à la fondation ; le piston,
avec la tige et la tête de piston, partie animée du mouvement rectiligne alternatif; l'arbre, avec la manivelle, tournant dans ses paliers ; enfin la bielle, qui réunit la partie à mouvement rectiligne et la partie tournante, à l'aide des articulations, qu'elle présente à ses deux extrémités, sur deux tourillons cylindriques.
La longueur de la bielle est la distance entre les centres des deux articulations cylindriques qui la terminent, de même que le rayon de la manivelle est la distance du centre de l'arbre au centre du tourillon de la manivelle, sur lequel s'articule la bielle. La longueur de la bielle est ordinairement 5 à 7 fois le rayon de la manivelle : une bielle de 4 rayons est fort courte. On est exceptionnellement descendu en dessous de cette longueur.
L'axe du cylindre, prolongé, rencontre l'axe de l'arbre tournant. Dans certaines applications de ce mécanisme de transmission et même, exceptionnellement, dans certaines machines à vapeur, l'axe du cylindre est déporté, parallèlement à sa position normale, et ne rencontre pas l'axe de l'arbre. Il en résulte que les deux courses simples du piston, faites en sens opposés, ne correspondent plus chacune exactement à un demi-tour de l'arbre.
Ce mécanisme, bien que déjà connu, n'a pas été appliqué dans les premières machines à vapeur à mouvement de rotation. On a conservé le balancier, en reliant à la manivelle de l'arbre, par une bielle, l'extrémité qui commandait les pompes. Même, au début, Watt a employé, pour rattacher la bielle à l'arbre, le mécanisme bizarre dit planétaire. De l'autre côté, une courte bielle relie au balancier l'extrémité de la tige du piston, guidée en ligne droite par le système ingénieux mais complique du parallélogramme (auquel on a parfois substitué des glissières, surtout en Amérique).
La machine à balancier, malgré l'inutilité complète de cet organe, a duré un siècle environ avant d'être définitivement remplacée par la machine à connexion directe.
La manivelle peut être rapportée à l'une des extrémités de l'arbre, contre un des paliers, en porte-à-faux, ou bien comprise entre deux paliers; l'arbre est alors coudé, ou â vilebrequin.
Il est cependant possible d'installer un tourillon en un point quelconque d'un arbre, sans le couder nécessairement : il suffit de lui donner un rayon assez grand pour qu'il enferme complètement l'arbre. Le tourillon s'appelle alors une poulie d'excentrique; la tête de bielle qui l'en-
PifC- 13. — Excentrique. En coupe, les hachures montrent l'arbre de rayon r, sur lequel est calée la poulie d'excentrique, de rayon r'. Si R est le rayon d'excentricité, ou distance des deux centres, r' est un peu plus grand que R -j- r. La poulie est entourée par le collier, invariablement relié k la barre, terminée par une fourche sur laquelle s'articule une tige guidée en ligne droite.
loure est le collier d'excentrique, et la barre d'excentrique est le corps de bielle (fîg. 13). La loi géométrique du mouvement n'est changée en rien par cette particularité de construction. Toutefois le grand rayon de l'excentrique est cause d'un frottement assez fort; et même, si on voulait employer l'excentrique à la transformation du mouvement rectiligne d'un piston moteur en mouvement circulaire, le frottement produirait des phénomènes de coincement ou arc-boutement dans une zone assez étendue, quelquefois même en tous les points, de sorte que la transmission serait impossible. Aussi n'emploie-t-on l'excentrique que
pour la transformation inverse, du mouvement circulaire en mouvement rectiligne, et pour la commande d'appareils annexes, qui ne demandent qu'une puissance restreinte.
Le bâti, qui porte les pièces mobiles de la machine, est fixé solidement à une fondation, c'est-à-dire à la masse même du sol, qui doit offrir une base absolument rigide. Les formes et dispositions des bâtis sont assez variées. Dans la machine horizontale, il s'étend en surface, l'axe du mouvement rectiligne, ou du cylindre, étant horizontal. Cet axe peut être vertical et la machine s'élève en hauteur, le bâti ayant une forme appropriée. Dans la machine verticale proprement dite, le cylindre est en dessous de l'arbre, placé à la partie supérieure du bâti. Mais la disposition inverse, dite pilori^ est plus fréquente, le cylindre étant en haut du bâti, et l'arbre à la partie inférieure. Quelquefois l'axe du cylindre est incliné.
Généralement l'axe de l'arbre est horizontal ; quelquefois il est vertical, ce qui entraîne l'horizontalité du cylindre.
Les machines qui se déplacent, locomobiles, locomotives, bateaux, ne sont pas fixées à une fondation, mais le bâti est un système rigide, portant les autres parties de l'appareil, telles que chaudière, roues, ou relié à l'ensemble de la construction, dans les bateaux.
Il peut y avoir deux ou plusieurs cylindres, portés par un même bâti, et dont les pistons attaquent un arbre unique. Chaque piston peut avoir sa bielle et sa manivelle, ou bien des pistons peuvent être montés en tandem sur une tige commune.
21. Distribution. — Des mécanismes de distribution sont nécessaires pour laisser la vapeur entrer dans le cylindre et en sortir aux instants convenables. Ces mécanismes se composent d'organes d'obturation, qui découvrent et referment les passages de vapeur, et des pièces qui les manœuvrent. Us présentent une grande variété. On peut avoir une
idée générale du fonctionnement de la machine à vapeur, sans les connaître en détail : il suffît de savoir que pendant une certaine partie de la course du piston la vapeur à la pression supérieure a accès dans le cylindre, et qu'elle s'en échappe pendant une autre partie (principalement pendant la course de retour).
22. Mécanismes divers. — D'autres appareils sont fréquemment annexés aux machines à vapeur, régulateurs qui agissent sur l'admission de vapeur, pompes pour le service des condenseurs, pour l'alimentation des chaudières.
23. Principe des machines rotatives. — Dans les machines rotatives, la vapeur agit encore par sa pression, mais sur des pièces moins simples que le piston ordinaire. Ces pièces forment une sorte de chambre à capacité variable que remplit la vapeur. On peut néanmoins évaluer facilement le travail produit : par exemple, si la machine rotative reçoit 2 1 de vapeur à une pression déterminée, la laisse détendre jusqu'au volume final de 10 1, puis expulse dans un condenseur ces 40 1 de vapeur détendue, le travail est le même que dans un moteur à piston ordinaire dont le cylindre aurait une capacité utile de 40 1, avec admission de 2 1.
24. Action directe de la pression sur un liquide. — S'il s'agit de refouler un liquide, il n'est pas indispensable de recueillir le travail de la vapeur sur un piston, lequel commande un piston de pompe : la pression peut agir directement sur le liquide à refouler, contenu dans une chambre, qui n'a pas besoin d'être cylindrique ; chaque kg par cm^ de pression effective de la vapeur peut élever l'eau à 10 m, sauf une certaine perte par frottements et autres actions secondaires. Mais une dépense supplémentaire de vapeur résulte de la condensation au contact de l'eau. L'appareil aspire en outre l'eau jusqu'à près de 40 m par l'effet du vide qui résulte de la condensation de la vapeur quand l'admission a cessé.
