ARTICLE IV
Des machines à vapeur établies sur les bateaux d'Amérique.
Les expériences faites en France, par M. Fulton , ne lui laissoient aucun doute sur la réussite de ses projets. Lorsque , par suite de sa conviction , il se détermina à retourner dans sa patrie pour y construire un bateau à vapeur , il commanda en Angleterre une machine de la force de vingt chevaux. Pendant son séjour dans cette contrée , il convint avec M. Watt des principales modifications à faire dans le mécanisme pour le rendre propre à l'objet qu'il avoit en vue. A cela près, c'est selon les principes, et à l'imitation des machines de ce célèbre mécanicien, que les Américains ont d'abord exécuté les machines de leurs bateaux ; mais ils ont ensuite profité des améliorations faites en Europe, et perfectionné eux-mêmes l'art d'employer la vapeur.
Ce rapport n'étant point un traité des machines à vapeur, leur histoire , les principes qui servent de base à leur construction et la description détaillée de leurs parties ne peuvent entrer dans mon plan : je dois me borner à faire connoître les principales dispositions adoptées dans les bateaux des États-Unis.
Description de la machine du bateau LE CHANCELLOR LtviNGSTON, et du régulateur simplifié, adopté depuis la construction de cette machine.
La plupart des machines à vapeur des bateaux que j'ai vus en
Amérique, sont, à quelques modifications près , semblables à celle du bateau le Cliancelbr Livingston, qui est représentée fig. iS et ijf ( pl. V ). C'est une machine à pression simple et à double effet. Le cylindre principal G H est vertical. Le condenseur C est placé au-dessous, et l'on voit à droite une portion de la chaudière C qui est dessinée à part, fig. <// , 4* et 43 ( pi- IX ).
Le tuyau DDEE qui part de la chaudière conduit la vapeur au cylindre; deux soupapes A et Z' servent à la faire entrer tantôt au-dessus du piston I, tantôt au-dessous, et quand elle a produit l'effet qu'on en attend, deux autres soupapes A' et Z la laissent passer dans un tuyau E'E'D'D' qui communique avec le condenseur.
Pour suivre en détail la marche de la vapeur, il convient de fixer son attention sur la disposition des tuyaux et des soupapes dont la figure 1 8 offre une coupe.
Les soupapes sont renfermées dans deux boîtes verticales ee et è e, placées auprès du cylindre : l'une ee en haut et l'autre ee en bas. Chacune de ces boîtes est divisée en trois compartimens, et contient deux soupapes A, A' ou Z, Z', établies dam les cloisons qui séparent les compartimens : ces soupapes s'ouvrent de bas en haut.
Les compartimens supérieurs de chaque boîte se remplissent de vapeur à mesure qu'il s'en forme, l'un par le tuyau DD [fig. iS) qui vient directement de la chaudière , l'autre par un tuyau de communication EE [fig. 19 ) entre ces deux compartimens.
Les compartimens inférieurs font en quelque sorte partie du condenseur C [fig. jS et ij> ), puisqu'ils sont réunis l'un à l'autre par un tuyau E E', et que celui de la boîte d'en bas est joint au condenseur par un autre tuyau D'D' ( fig. 18 ). Enfin , les compartimens intermédiaires F et F' communiquent avec le cylindre à vapeur, l'un au-dessus du piston, l'autre audessous.
Dans les figures, on suppose que le piston I est rendu au haut du cylindre et sur le point de commencer à descendre. Déjà la soupape supérieure A de la boîte d'en haut ee , par laquelle la vapeur parvient au-dessus du piston, et la soupape inférieure Z de la boîte d'en bas ee, par laquelle la vapeur ou l'air qui est au-dessous du piston peut passer dans le condenseur, sont ouvertes; et la soupape supérieure Z' de la boîte d'en bas e e, qui permettroit à la vapeur de se rendre sous le piston , et la soupape inférieure A' de la boîte d'en haut ee, qui établirait la communication entre la vapeur au-dessous du piston et le condenseur C, sont fermées.
Lorsque la vapeur introduite dans la partie supérieure du cylindre a acquis assez de force pour vaincre la résistance qui s'oppose au mouvement du piston , le piston descend jusqu'auprès du fond : alors un mécanisme spécial ferme les deux soupapes ouvertes A et Z , et ouvre au même instant les deux soupapes fermées A' et Z'. La vapeur ne pouvant plus arriver au-dessus du piston, se rend au-dessous en suivant le tuyau EE (fig. ijf ) qui fait communiquer entre eux les compartimens supérieurs de chaque boîte. Pendant ce temps, la vapeur ou l'air qui est dans la partie supérieure du cylindre passe au condenseur C [fig. 18) par le tuyau E'E' qui réunit les compartimens inférieurs de chaque boîte; elle cesse d'exercer un grand effort sur le piston qui, cédant à l'action de la vapeur qui est au-dessous, remonte jusqu'au haut du cylindre. Les soupapes reprennent aussitôt la position indiquée dans la figure, et le piston descend de nouveau pour remonter bientôt après.
La vapeur en arrivant dans le condenseur C, trouve un jet continuel d'eau froide qui en abaisse la température, la ramène en grande partie à l'état liquide, et en réduit tellement la force élastique , qu'elle peut à peine supporter une colonne de mercure de dix à douze centimètres de hauteur.
L'eau échauffée par la condensation de la vapeur, et l'air ou la vapeur qui restent dans le condenseur, se rendent à la pompe à air G' H' par un tuyau PP, sur lequel est une soupape B' qui s'ouvre lorsque la vapeur a plus de force que l'atmosphère; ce qui peut arriver quelquefois, par exemple, lorsqu'on ferme le robinet du tuyau d'injection.
La pompe à air G H' verse l'eau qu'elle retire du condenseur dans une caisse i , d'où elle passe à la mer, lorsqu'elle est arrivée à une certaine hauteur, par un tuyau qui n'est pas tracé dans la figure. La partie inférieure de la caisse communique par un tuyau /' avec une petite pompe aspirante et foulante /, qui force une partie de l'eau chaude, provenant du condenseur, à rentrer par un autre tuyau / dans la chaudière C, pour remplacer celle qui s'est réduite en vapeur. Des robinets convenablement disposés, mais qui n'ont point été dessinés , servent à suspendre à volonté l'introduction de cette eau dans la chaudière.
Deux ou trois petits robinets placés au bout de la chaudière, vers le niveau de l'eau qu'elle contient, font juger s'il y en a une quantité suffisante ou trop forte.
Le piston I porte une tige J K qui sort du cylindre en passant dans une boîte L contenant des garnitures destinées à empêcher la vapeur de s'échapper. Au haut de cette tige est une traverse horizontale N , semblable à un fléau , à laquelle se rattache tout le reste du mécanisme.
La machine est destinée à faire tourner deux roues à aubes" R, R (pl. \ ,fig. /) placées en dehors du bateau, une de chaque côté. L'axe commun de rotation SS des deux roues est perpendiculaire à la direction de la quille, et rencontre, à angle droit, celui du cylindre principal. Chaque roue est montée sur un arbre particulier; mais les deux arbres peuvent être considérés comme des portions d'un seul arbre qui seroit interrompu par le cylindre. Chaque arbre particulier porte à l'extrémité intérieure une roue
dentée T, près de la circonférence de laquelle est fixé un bouton saillant O qui sert à la faire tourner. Ce bouton O est lie par une verge ou bièle ON au bras correspondant du fléau NN assemblé avec la tige J K du piston : en sorte que toutes les fois que le piston monte et descend, la roue dentée T, et par suite la roue à aubes R, qui est du même côté, fait un demi-tour.
La roue dentée T engrène avec une autre plus petite T' placée sur l'arbre d'un volant double R' destiné à entretenir et à régulariser le jeu de la machine. L'arbre S' du volant R' sert d'ailleurs à lier entre eux les deux côtes du mécanisme.
Une seconde paire de bièles no, également suspendue au fléau NN, agit de chaque côté sur un balancier en fer O'o, dont le bras opposé est très-gros, afin qu'il serve de contre-poids au piston et à une partie des pièces qu'il soutient. Ce même bras met la pompe à air en mouvement.
La tige J'K.' du piston J ' de cette pompe passe aussi au travers d'une boîte à garniture I', et porte un fléau N' N', à chaque extrémité duquel est une bièle pendante N' O' qui tient par un bouton O' au balancier O'o, afin que le mouvement du balancier détermine celui du piston de la pompe à air.
Une troisième paire de bièles no, attachée au grand fléau N N , soulève une des extrémités o' d'un levier fourchu o ' k ' , dont le point d'appui est à l'autre extrémité, et au milieu k' duquel est attachée la tige k'/' de la pompe alimentaire / qui remplace l'eau dans la chaudière C.
On tire parti, dans beaucoup de bateaux, de l'élévation et de la descente de cette tige, pour mettre en rapport le mouvement du piston et celui du mécanisme qui règle l'ouverture et la fermeture des soupapes, mécanisme qu'on nomme régulateur, et que je décrirai bientôt.
Outre la pompe à air et la pompe alimentaire, il y a plusieurs petites pompes à main, mises à volonté en mouvement par la
machine, qui servent au besoin à faire entrer de l'eau froide dans ia chaudière, à retirer celle qui est au fond du bateau, &c.
Pour que la résistance qu'éprouvent tantôt vers l'avant, tantôt vers l'arrière, les deux bièles pendantes ON qui font tourner l'arbre des roues à aubes, n'occasionne aucun dérangement dans la tige du piston, chaque extrémité du fléau est guidée par une barre en fer UU (fig. t, 2, y, pl. I) fixée parallèlement à la direction du mouvement à un pan de charpente V'U'V qui s'élève du fond VV ( fig. / et 2 ) du bateau, et est appuyé sur des massifs V V.
Les têtes des pans de charpente des deux côtés sont réunies par un chapeau U'U', et les pieds des pièces sont liés, par des bandes et des courbes de fer, aux massifs ou carlingues latérales V,V composées de plusieurs pièces superposées et chevillées solidement avec les varangues du bateau.
Les chantiers de la chaudière C sont établis sur ces deux carlingues VV.
La machine est placée entre les deux pans de la charpente. Le condenseur C et la pompe à air G'H' tiennent entre eux par une pièce en fer coulé PP, dans laquelle passe le canal qui va de l'un à l'autre. La charpente porte les extrémités intérieures des arbres SS, SS (fig. 1 et 3 ), des roues à aubes, et les bouts de l'arbre S' S' du volant.
Ces dispositions paroissent bien entendues ; elles fortifient le bateau, et font supporter par la charpente la majeure partie de la réaction de la machine. Quand on a commencé à les adopter on a fait une charpente assez compliquée. La figure 16 (pl. IV) représente celle du Washington, construit en 1 8 1 3, et ia figure 17 celle du Maryland, construit en 1818.
Les tiges des soupapes Kb , K'b ', Zy, Uy [fig. 18) de chaque boîte glissent l'une dans l'autre, et parviennent en dehors en passant dans des boîtes à garniture qui empêchent la vapeur de s'échapper. A chacune des soupapes A, A', Z,Z' correspond un petit arbre
horizontal a,d ',z,z portant deux bras, l'un ab,dè', zy,z'y destiné à ouvrir ou fermer la soupape est attaché à sa tige ; l'autre, a c, ac, zx, zx , destiné à faire tourner le petit arbre, est lié par une bièle à un des deux grands arbres horizontaux m ou m , dont je vais indiquer l'usage.
D'après ce qui a été dit précédemment, lorsque le piston arrive au haut du cylindre, la soupape supérieure A de la boîte d'en haut ee, et la soupape inférieure Z de la boîte d'en bas ee, que j'appellerai soupapes extrêmes, doivent s' ouvrir , et en même temps la soupape inférieure A' de la boîte d'en haut ee , et la soupape supérieure de la boîte Z' d'en bas e'e, ou les soupapes moyennes, doivent se fermer, et le contraire doit avoir lieu quand le piston est revenu en haut. Pour que ces changemens s'opèrent à propos, on les fait dépendre de la rotation partielle des deux arbres horizontaux m, m, qui sont plus grands que les quatre arbres a,a,z,z, qui correspondent à chaque soupape, et qui portent, comme ceux-ci , plusieurs bras destinés à la transmission du mouvement. Ces deux arbres m, m sont disposés de manière que le supérieur m fasse ouvrir ou fermer les soupapes extrêmes, et que l'inférieur m produise au même moment un effet contraire sur les soupapes moyennes.
La tige k'/ de la pompe / qui remplace l'eau de la chaudière est garnie de deux boutons ou coussins u, u'; lorsque cette tige arrive vers le bas de sa course, le coussin supérieur u appuie sur un bras courbe t tenant au grand arbre m, et fait tourner cet arbre. Voici ce qui résulte de ce mouvement :
i.° Un second bras md qui agit par le moyen d'une verge de sur le bras extérieur ca du petit arbre a qui correspond à la soupape supérieure A de la boîte d'en haut ee, fait mouvoir ce petit arbre et fermer la soupape A.
2. 0 Un troisième bras m v , lié par une bièle v x au bras supérieur z x du petit arbre z, dont dépend le mouvement de
la soupape inférieure Z de ia boîte d'en bas c é , fait tourner et petit arbre, et fermer aussi fa soupape Z.
3. 0 Une came r , fixée au même grand arbre m, presse sur la partie convexe de la tête s d'une pièce s s en forme de S, placée entre les deux grands arbres m, m et mobile autour de son centre. Quand le piston I, ou, ce qui revient au même, quand la tige j'k' de la petite pompe i se trouve tout-à-fait descendue , la came est parvenue à une dent s de la pièce en S, et cette pièce, rappelée par un ressort qui n'est point tracé dans la figure , retient la came et empêche le poids p, qui est suspendu au quatrième bras mq du grand arbre supérieur m, de ramener cet arbre à sa position primitive.
4 ° La pièce en S, en tournant par l'effort de la came r de l'arbre supérieur, dégage d'une dent s , formée à la partie convexe de sa branche inférieure , une autre came fixée à l'arbre inférieur m. Le poids p, suspendu à l'un des bras mq de l'arbre inférieur m , fait aussitôt tourner cet arbre.
y* Un des bras m'd' de l'arbre inférieur m , agissant par le moyen d'une bièle d'e sur le petit arbre a de la soupape inférieure A' de la boîte d'en haut te, ouvre cette soupape.
6.° Enfin, un autre bras m'y de l'arbre inférieur m' , ouvre ia soupape supérieure Z' de la boîte d'en bas ce, en faisant tourner le petit arbre correspondant z , par le moyen d'un bras z x de ce petit arbre et d'une bièle intermédiaire x'v.
Le bras courbe mi du grand arbre inférieur m s'est abaissé par la chûte du poids p attaché à l'un des bras mq de cet arbre. Lorque le piston I remonte, le bouton inférieur u de la tige /h' de la pompe alimentaire soulève le bras courbe t' et fait tourner l'arbre m' ; les deux autres bras m'd' , m'v , par le moyen de leurs bièles d' c , v x , transmettent ce mouvement aux petits arbres a, z correspondant aux soupapes moyennes A', Z', qui se ferment à l'instant que la came r du grand arbre inférieur m , en appuyant
sur ia pièce en S, vient de dégager ia came r de l'autre arbre m et de s'engager dans la dent /' de ia branche inférieure de cette pièce.
Le piston I est alors au haut de sa course.
Aussitôt que la came r du grand arbre supérieur m a cessé d'être retenue par ia pièce en S , le poids p attaché à l'un de ses bras mq le fait tourner. Les arbres a et z des soupapes extrêmes A et Z, qui sont liés par des bras md, mv,acet zx et des bièles de et vx à cet arbre m, tournent aussi : les soupapes correspondantes A et Z s'ouvrent, et toutes les parties du mécanisme se trouvent de nouveau dans la position qu'indique les figures , le piston I prêt à descendre.
Pour empêcher la vapeur de passer de la chaudière dans le cylindre, il n'y a qu'à engager à-Ia-fois les deux cames r, r dans les dents/,/' de la pièce en S, en prenant à la main les poignées t, t' des bras courbes mt, mi ' , et les rapprochant de la ligne horizontale, ce qui ferme à-la-fois les quatre soupapes.
Pour introduire ensuite la vapeur dans le cylindre* au-dessous du piston, par exemple, on retient d'une main le bras / de l'arbre supérieur m, et de l'autre on écarte un peu ia pièce en S, afin que la came r de l'arbre inférieur m se dégageant, le poids p, qui est attache à cet arbre, le fasse tourner, et que les soupapes moyennes A',Z' s'ouvrent.
On peut ainsi, quand la machine est en repos, faire à volonté monter ou descendre le piston.
Quand le cylindre et le condenseur sont remplis d'air, en ouvrant les quatre soupapes, la vapeur forcera l'air de sortir presque entièrement par la soupape B' qui est placée entre le condenseur et la pompe à air, et si, après avoir fermé les deux soupapes extrêmes, on ouvre le robinet d'injection , le piston montera. Il descendroit si l'on fermoit d'abord les deux soupapes moyennes. On peut remarquer qu'il n'y a guère d'autres secousses dans
tous ces mouvemens que celles qui résultent de la chute des poids p et p suspendus aux deux grands arbres m et m ; car lorsque les boutons u, u de la tige }' U de la pompe / commencent à rencontrer les bras courbes, leur action s'exerce par un levier assez long : les poids sont d'ailleurs alors presque à plomb sous les arbres ; il faut peu de force pour les mettre en mouvement , et il n'y a, pour ainsi dire, point de choc.
Le mouvement des soupapes n'exige un grand effort que quand elles commencent à s'ouvrir; mais alors les bras mq, ni q auxquels les poids p, p sont suspendus , étant horizontaux , et les bièles cd, vx, c d , vx, qui transmettent aux petits arbres a, z, a, z le mouvement des grands m et m , dirigées suivant l'axe de ceux-ci, les poids p et p font le plus d'effet possible , puisque les soupapes ne prennent dans le premier moment qu'une vîtesse infiniment moindre que celle des poids.
Ce mécanisme atteint parfaitement, comme on voit, le but qu'on s'est proposé ; mais il est extrêmement compliqué , et je n'en aurois point donné la description s'il n'avoit été généralement adopté dans les bateaux construits par M. Fulton, et s'il n'étoit pas préféré aux autres par beaucoup de machinistes.
Dans quelques bateaux nouvellement construits, on a choisi un régulateur beaucoup plus simple, représenté fig. 20 , pl. V.
Il y a devant les boîtes, à soupapes deux barres de fer verticales at et at' à-peu-près de la hauteur de l'appareil; les tiges des soupapes extrêmes sont attachées aux bouts de deux pièces horizontales ab, zy fixées à la barre la plus courte at, et les tiges des deux soupapes moyennes sont réunies de la même manière avec la barre la plus longue. Les barres sont maintenues verticales par des colliers dans lesquels elles peuvent glisser ; les deux soupapes extrêmes s'ouvrent par l'élévation de la barre la plus courte at, et les deux soupapes moyennes par l'élévation de la barre la plus longue at.
Les bouts inférieurs t, t des barres, faits en forme de pieds, reposent sur un arbre cylindrique horizontal M', garni de deux cames u , u placées de côtés opposés, une sous chacun des pieds t, t' des barres. Cet arbre reçoit un mouvement de rotation alternatif par le moyen d'un bras M'/, et d'une bièle jk qui embrasse un cercle excentrique, combiné avec le mécanisme général, de manière à faire un tour pendant que le piston monte et descend.
La figure représente l'arbre M', au milieu de son oscillation , les deux barres al, at' appuyées dessus , et par conséquent les quatre soupapes fermées. La ligne de direction de l'excentrique est perpendiculaire à la bièle h), et le piston est à un des bouts du cylindre. Je supposerai, pour fixer les idées, que la direction du mouvement de rotation porte l'excentrique vers la droite , et que, par conséquent, le piston est en haut.
Le bras M/' de l'arbre M' tournera dès-lors vers la droite , la barre longue ⣠n'éprouvera aucun mouvement, et les deux soupapes moyennes resteront fermées; mais la came de gauche u soulèvera la barre courte at, les soupapes extrêmes commenceront à s'ouvrir et le piston à descendre. Lorsque l'excentrique aura fait environ un quart de tour, et que le piston sera rendu au milieu du cylindre, le bras M/ sera tout-à-fait à droite, et les soupapes extrêmes entièrement ouvertes. Elles se fermeront à mesure que le piston descendra, et lorsqu'il sera arrivé au bas de sa course, le bras M/* et l'arbre M' seront revenus à la position qu'ils avoient d'abord; l'excentrique sera de nouveau perpendiculaire à la bièle jk, mais du côté opposé, et les quatre soupapes seront fermées.
L'excentrique continuant à tourner entraînera le bras M/ de l'arbre M' vers la gauche, la barre courte at cessant de se mouvoir, les soupapes extrêmes resteront fermées à leur tour; la came de droite u soulevant la grande barre at, ouvrira les soupapes moyennes, et le piston remontera. Quand il sera parvenu au milieu
de sa course, l'excentrique sera sur la gauche ainsi que le bras M'/, et les soupapes moyennes seront complètement ouvertes. Le piston continuant à monter , l'excentrique et le bras M'/' marcheront de gauche à droite, et les soupapes se fermeront peu-à-peu; et quand le piston sera revenu au haut du cylindre, les quatre soupapes seront de nouveau fermées , et tout se retrou vera dans l'état indiqué par la figure.
Par la nature de l'excentrique, le mouvement de l'arbre M' est très-lent pendant que les soupapes doivent rester ouvertes : il est le plus rapide lorsqu'elles commencent à s'ouvrir, et la courbure des cames u , u est telle que les barres at, at' montent lentement jusqu'à ce que les soupapes se soient détachées de leurs paliers ; mais bientôt les cames agissant à une grande distance de leur centre de rotation, l'ouverture des soupapes acquiert une grandeur suffisante ; cependant les soupapes ne s'ouvrent pas aussi vîte que par le premier régulateur que j'ai décrit, et c'est probablement le motif pour lequel plusieurs personnes s'en tiennent à ce premier mécanisme malgré sa complication.
Le cercle excentrique sur lequel passe la bièle qui sert au mouvement des soupapes, n'est pas ordinairement monté sur l'arbre des roues à aubes, mais sur un arbre particulier, placé plus bas, qui reçoit son mouvement de l'arbre des roues à aubes, ou de l'arbre du volant par des roues dentées, de dimensions convenables pour qu'il fasse un tour pendant que le piston monte et descend.
La bièle kj n'est pas fixée au bras M'/ de l'arbre M' qui soulève les barres at, at', mais accrochée à un bouton // il suffit de l'élever un peu et de ramener le bras au milieu de sa course pour que les barres descendent et que les quatre soupapes soient fermées. On les ouvre à volonté en soulevant les barres par le moyen de deux leviers portatifs ( dont un hK est représenté dans la figure ) qu'on appuie sur une pièce h placée exprès devant les
barres. On voit aisément comment on peut empêcher la vapeur d'entrer dans Je cylindre, l'introduire au-dessus ou au-dessous du du piston, purger la machine d'air, la mettre en mouvement ou l'arrêter.
Un des moyens les plus simples de changer la direction du mouvement, est de placer au-dessous de l'arbre M' un bras àpeu-près opposé au bras M'/, et d'y accrocher la bièle lorsqu'on remet la machine en mouvement. On peut aussi laisser à l'excentrique la faculté de faire un demi-tour sur son arbre.
