CHAPITRE VII

Description de la machine à vapeur et des principales pièces qui la composent. — Chaudière. — Appareils de sûreté. — Le tiroir. — ■ Cylindres et pistons. — Condenseur. — Parallélogramme articulé. — Balancier. — Régulateur à force centrifuge. — Volant. — Pompe alimentaire. — Pompe à air.

La machine de Watt et celle d’Olivier Evans furent portées graduellement, par ces deux grands mécaniciens, à un degré de perfection qu'il était difficile de dépasser. Toutefois on comprendra sans peine que, si les mêmes organes constitutifs doivent se retrouver dans toutes les machines à vapeur, ces organes comportent, quant à leurs dimensions, quant à leur forme et quant à leur mode de fonctionnement, plusieurs modifications, et qu’il en est de même, à plus forte raison , des organes accessoires : certains de ces derniers , dans bien des cas et selon le genre de travail que la machine doit exécuter, peuvent être supprimés ; d’autres peuvent être ajoutés.

Il nous est impossible de donner ici la description détaillée des différents systèmes de machines à vapeur qui ont été proposés depuis le commencement de ce siècle, et qui ont reçu dans l’industrie une application plus ou moins étendue. Nous n'écrivons pas un ouvrage technique, mais une simple notice historique , où la partie descriptive ne peut occuper qu’une place très -restreinte. Nous nous bornerons donc à compléter l’exposé qui précède par quelques notions tout à fait élémentaires sur la construction et le jeu du type générique de la machine à vapeur; nous dirons, en passant successivement en revue les pièces qui la composent essentiellement, quelles sont la nature et l'importance du rôle rempli

MACHINES A V.xPElll

par chacune d’elles dans l’ensemble de l’appareil. Nos lecteurs auront ainsi, de la machine qui nous occupe, une idée suffisante pour se rendre compte des effets qu’on en obtient , et pour que, s’ils veulent quelque jour se livrer à une étude plus sérieuse et plus complète de cette merveilleuse invention , ils y trouvent à la fois plus d’intérêt et plus de facilité.

Les principaux éléments de la machine à vapeur sont :

1° La chaudière ;

2° Les appareils de sûreté ;

3° Le tiroir;

4° Le cylindre et son piston ;

5° Le condenseur ;

6° Le parallélogramme articulé ;

7° Le balancier;

8° Le régulateur à force centrifuge ;

9° Le volant ;

10° La pompe alimentaire ;

11° La pompe à air .

I. Chaüdiêre ou Générateur. C’est le vaisseau où l’on fait bouillir l’eau qui fournit la vapeur destinée à mettre la machine en mouvement. Les premières chaudières étaient hémisphériques. Watt leur donna une forme qui les fit appeler chaudières prismatiques ou à tombeau . Elles étaient allongées, concaves au fond, verticales sur les côtés, convexes à la partie supérieure. A ces chaudières ont succédé les chaudières cylindriques ; puis , comme la quantité de vapeur fournie par une chaudière dans un temps donné dépend non de sa capacité ni de la quantité d’eau qu’on y a mise , mais de la surface plus ou moins étendue qu’elle présente à l’action du feu , on parvint à réaliser cette condition en construisant les chaudières à bouilleurs , dont l’emploi est général aujourd’hui. Les bouilleurs sont des cylindres de petit diamètre, placés horizontalement au-dessous de la chaudière, avec laquelle ils communiquent par des tubes larges et courts. L’eau qui remplit ces

cylindres, et s’élève à une certaine hauteur dans Je corps de la chaudière principale, offre à l’action calorifique du foyer une surface considérable, et arrive ainsi promptement à l’ébullition. En vertu du même ^principe, on donne aux chaudières une longueur de cinq, six et jusqu’à dix foisJeur diamètre. Le diamètre ne doit pas excéder un mètre; et lorsqu’une seule chaudière ne suffit pas à produire la quantité de vapeur dont on a besoin pour obtenir un effet voulu, on en emploie > deux ou trois, plutôt que de dépasser les dimensions convenables. Outre les diverses ouvertures par lesquelles elles communiquent avec les autres pièces de la machine, les chaudières de grande dimension étaient autrefois pourvues d'un orifice pratiqué à la partie supérieure, assez large ,pour livrer passage à un homme, et appelé pour cette raison le trou à l'homme . C’est par là, en effet, qu’un ouvrier ^pénétrait tous les quinze à vingt jours dans l’intérieur, pour enlever le dépôt {terreux qui s'y formait durant cet intervalle. On ..s’est affranchi depuis de cette sujétion : premièrement, par .l'invention des bouilleurs , qui, supportant la f plus vive action ,du feu, sont les plus sujets à s’encrasser et à se détériorer, et qu’on change lorsqu’ils ne sont plus en bon .état;. deuxièmement, en prévenant, d’une manière à peu près complète , la formation du dépôt , par l’addition dans Je liquide de corps étrangers., tels que du son ou de la raclure de pommes de terre, qui, empêchent les sels calcaires de s’agréger et d’adhérer aux parois du générateur.

Les anciennes chaudières étaient en fonte plus ou moins épaisse;, mais le peu de résistance de cette matière,. toujours d’une texture inégale et grenue, l’a fait .généralement abandonner; l’usage ( en est même formellement interdit dans la marine et surfes chemins de fer. : On a employé aussi le cuivre, auquel on a de même bientôt. renoncé. à cause de son prix trop élevé. Aujourd'hui la Me en r plaques solidement rivéesjesumesaux autres.est à.peujjrès seule employée ^pour

la construction des chaudières; elle réunit à l’avantage d’un prix modéré celui d’une inaltérabilité suffisante et d’une grande ténacité.

II. Appareils de sûreté. Durant les premières années qui suivirent l’invention des machines à vapeur et leur adoption dans l’industrie, on eut fréquemment à déplorer des accidents funestes causés par l’explosion des chaudières. Les ingénieurs s’occupèrent alors de rechercher avec attention les causes de ces accidents et les moyens de s’en préserver. Or la cause pouvait consister en ce que la vapeur trop chauffée dépassait le degré de pression que la chaudière avait été destinée à supporter. Mais ce cas était assez rare. Les explosions avaient lieu le plus souvent lorsque, par suite d’une interruption dans le jeu de la pompe alimentaire, ou par la négligence du chauffeur, le niveau de l’eau venait à s’abaisser au point que les parois du générateur se trouvassent, sur une certaine étendue, en contact à vide avec la flamme ardente du foyer. Le métal était alors porté à une température excessive ; un grand volume de vapeur se formait rapidement aux dépens de la petite quantité d’eau restée dans la chaudière, et pressait violemment les parois, qui, dilatées inégalement, quelquefois même amollies par la chaleur intense du foyer, cédaient à son effort, s’entr’ouvraient et se déchiraient sur un ou plusieurs points. L’eau, n’étant plus comprimée et se trouvant à une température bien plus élevée que celle où elle entre normalement en ébullition, achevait de se vaporiser tout à coup, et cette explosion pouvait produire les plus terribles effets. Il était donc nécessaire, premièrement, de se mettre en garde contre les pressions excessives de la vapeur; deuxièmement, de faire en sorte que le niveau de l’eau se maintînt toujours à une hauteur convenable; troisièmement, il fallait que le chauffeur et le mécanicien fussent constamment informés de l’état intérieur de la machine sous ce double rapport, et qu’au besoin les appareils mêmes adaptés à la chaudière pussent, en cas

Memilles^de l’industrie. 3

cle négligence de la part des ouvriers, fonctionner seuls, et, pour ainsi dire, spontanément, de manière à prévenir tout accident.

Ces conditions de sécurité ont élé heureusement réalisées par l’adoption successive de certaines dispositions indiquées tant par la théorie que par l’expérience, et qui ont réduit à néant les chances d’explosion dans les machines bien construites et manœuvrées avec quelque soin.

On prévient les accidents qui seraient causés par une pression trop forte, à l’aide de la soupape de sûreté et des plaques ou rondelles fusibles .

La soupape de sûreté , inventée par Papin , avait été appliquée dès 1717, par le physicien Désaguliers, à la pompe de Savery. Newcomen et Cawley l’adoptèrent aussi pour leur machine atmosphérique, et depuis lors elle n’a jamais cessé de figurer sur les machines à vapeur. C’est un tampon ou obturateur mobile, fermant hermétiquement un tube vertical qui surmonte la chaudière et communique librement avec l’inlérieur. Cet obturateur est maintenu à l’aide d’un levier, à l’extrémité duquel est suspendu un poids calculé de manière à résister à la pression de la vapeur, tant que cette pression ne dépasse point une limite déterminée; au delà de cette limite, la vapeur soulève la soupape, se fraie un passage, et s’échappe au dehors jusqu’à ce que sa teusion soit redevenue inférieure à la pression du levier.

Cet appareil serait contre les explosions de chaudières à vapeur un préservatif infaillible si les mécaniciens ne s’avisaient parfois, pour obtenir une plus grande vitesse, de paralyser son action en ajoutant un surcroît de poids à l’extrémité du levier. Les peines sévères portées contre ces actes de coupable imprudence n’ayant pas réussi à les prévenir, les règlements exigent que toute chaudière employée pour le service des chemins de fer et des bateaux à vapeur soit munie de deux soupapes de sûreté, dont une doit être enfermée à

clef dans une boîte ayant seulement une ouverture pour permettre à la vapeur de s’échapper. Il paraît que les capitaines des bateaux à vapeur et les conducteurs de train ne veillent pas toujours à la stricte exécution de cette sage ordonnance.

Les rondelles fusibles sont des obturateurs fixes, qui bouchent de petits trous pratiqués à la partie supérieure de la chaudière. Elles sont faites d’un alliage dont l’invention est due au chimiste Darcct; cet alliage, formé de plomb, d’étain et de bismuth, a la propriété d’entrer en fusion à une température plus basse que ne fait aucun des métaux simples aujourd’hui connus. Son point de fusion, d’ailleurs, s’élève ou s’abaisse selon les proportions du mélange. Il est donc facile de le composer de telle sorte que la vapeur, dès que sa température s’élève au-dessus du degré correspondant du maximum de pression que la chaudière doit supporter (1), liquéfie le métail et s’ouvre d’elle-même une issue qui laisse un libre cours à sa force expansive.

Si sûr et si commode qu’il paraisse au premier abord, l’emploi des rondelles fusibles présente de graves inconvénients qui l’ont fait généralement abandonner. Premièrement, le métal, à une température bien inférieure à son point de fusionne ramollit assez pour ne plus offrir une résistance suffisante à la force de la vapeur, qui s’échappe ainsi avant d’avoir atteint son maximum de pression. En second lieu, tandis que la soupape de Papin se referme après que la chaudière s’est débarrassée de son trop-plein de vapeur, la soupape en métal fusible , une fois ouverte , ne se rebouche point : toute la vapeur s’échappe en peu d’instants par son orifice béant; le

(1) Il existe entre la température de la vapeur d’eau et sa force élastique un rapport constant dont les termes ont été expérimentalement déterminés avec une parfaite exactitude par les soins de l’Académie des sciences de Paris. Ainsi la température de 100 degrés correspond à une atmosphère ; celle de 112°, à une atmosphère et demie; celle de 122°, à deux atmosphères ; celle de 145°, à quatre atmosphères , etc.

jeu de la machine se trouve ainsi définitivement arrêté, et l’on est alors, dans un grand nombre de circonstances, exposé à des accidents non moins graves que ceux qui résulteraient d’une explosion.

Nous avons dit combien il est important que le niveau de l’eau se maintienne toujours dans la chaudière au-dessus de la ligne où s’arrête le contact des parois extérieures avec les flammes du foyer. Cette condition de sécurité pourrait, à la rigueur, être considérée comme suffisamment remplie par la pompe alimentaire, dont le jeu est réglé de façon que le générateur reçoit sans cesse des quantités d’eau sensiblement égales à celles qu’il transforme en vapeur. Toutefois , afin que, si cette partie de la machine éprouvait quelque dérangement, le mécanicien en soit immédiatement averti, on a recours à certains appareils qui lui permettent d’observer les moindres fluctuations du niveau de l’eau avec autant de facilité que si les parois de la chaudière avaient la transparence du cristal. Ces appareils sont : 1° les indicateurs du niveau de Veau; 2° le flotteur ordinaire ; 3° le flotteur d'alarme.

Il existe différents indicateurs du niveau de l’eau; nous dé' crirons seulement celui qu’on emploie de préférence comme le plus simple et le plus exact. C’est un tube de verre maintenu verticalement contre le flanc de la chaudière, avec laquelle il communique par son extrémité inférieure. L’eau étant nécessairement dans ce tube à la même hauteur que dans la chaudière , un coup d’œil suffit au mécanicien pour s’assurer si le niveau s’élève ou s’abaisse.

Le flotteur ordinaire remplit d’une autre manière la même fonction. C’est un disque en bois ou en liège qui nage sur le liquide. Ce disque est surmonté d’une tige métallique trèsdéliée qui traverse à frottement doux la partie supérieure de la chaudière, et se meut verticalement sur une échelle graduée indiquant en centimètres et eu millimètres la Jiauteur occupée par l’eau du générateur.

MACHINES a yapeür

L’utilité des moyens d’observation que nous venons de dé- . crire disparaît , si le mécanicien néglige d’en faire usage , s’il se laisse aller au sommeil ou à des distractions trop prolongées. Dans ce cas, la pompe pourrait s’arrêter, le liquide ne point se renouveler, et la chaudière éclater sans qu’il fît rien pour l’empêcher. Aussi, pour parer à cette redoutable éventualité, a-t-on coutume d’ajouter à l’indicateur du niveau de l’eau et au flotteur ordinaire un troisième appareil, qui doit, au besoin, rappeler le mécanicien à l’accomplissement de son devoir, en lui signalant l’imminence du péril. Cet appareil porte le nom sinistre de flotteur d* alarme. C’est une boule creuse fixée à l’une des extrémités d’un levier qui porte un contre- poids à son autre extrémité. Ce levier, suspendu dans l’intérieur de la chaudière, est mobile, dans un plan vertical , autour de son point de suspension. Il porte un obturateur, qui s’engage dans l’orifice d’un tube métallique traversant la paroi supérieure de la chaudière , et se terminant en haut par une ouverture annulaire. Immédiatement au-dessus de cette ouverture est adapté un timbre, dont la circonférence est égale à la sienne. La boule creuse reposant sur le liquide, lorsque celui-ci est à une hauteur convenable, le levier maintient l’obturateur dans le tube; si , au contraire , l’eau vient à s’abaisser au - dessous du niveau qu’elle doit occuper , le levier s’abaisse aussi ; le tube, se trouvant débouché, livre passage à un jet de vapeur qui s’élance par l’ouverture annulaire, rencontre le contour aigu du timbre, et, par un sifflement significatif, avertit le mécanicien de pourvoir sans délai au salut de la machine.

III. Tiroir. Pour diriger alternativement la vapeur au-dessus et au-dessous du piston, Watt, dans sa machine à double effet, se servait, comme dans la première, dite à simple effet , de soupapes qui s’ouvraient et se fermaient tour à tour. Dans les premières années de notre siècle, l’ingénieur Edward

remplaça ce système défectueux et compliqué par l’appareil qu’on désigne sous le nom de tiroir .

Une tubulure amène la vapeur de la chaudière dans une boite rectangulaire en fonte fixée sur le cylindre. Dans la paroi de ce dernier sont pratiqués trois orifices, dont le premier communique avec la partie supérieure du cylindre, le second avec la partie inférieure, le troisième, intermédiaire, avec le condenseur. C’est sur ces trois orifices que glisse la pièce appelée tiroir ou glissière. Elle est fixée à une tige articulée à une autre plus grande qui est animée d’un mouvement de va-etvient. Lorsque le tiroir est au haut de sa course, l’orifice inférieur est ouvert , et la vapeur pénètre au-dessous du piston. Celui-ci, poussé de bas en haut, refoule dans le condenseur, par l’orifice intermédiaire, la vapeur qui se trouvait au-dessus de lui; Si, au contraire, le tiroir est au bas de sa course, c’est l’orifice supérieur qui laisse entrer la vapeur, et l’orifice inférieur qui se ferme , de sorte que le piston redescend; et ainsi de suite à chaque déplacement de la glissière.

Les tiges qui font jouer celle-ci reçoivent le mouvement de Y excentrique. L’excentrique est une pièce circulaire fixée à l’arbre de couche, mais de manière que son centre ne coïucide pas avec l’axe de cet arbre. 11 tourne à frottement doux dans un collier qui, suivant sans tourner le mouvement de l'excentrique, en reçoit, dans la direction horizontale, uu mouvement alternatif qui commuüi.jue, par une double tringle, à un levier coudé fixé à l’extrémité de celle-ci, et de là aux tiges mobiles en prise aveeja glissière.

IY. Cylindre et piston. Nous n’avons rien à ajouter relatimentàcesdeux pièces, dont le lôle dans l’ensemble de la machine est suffisamment indiqué par ce qui en a été dit précédemment.

Y. Condenseur. C’est un vase ordinairement placé au-dessous du cylindre avec lequel il communique comme nous venons de le voir. Il est incessamment parcouru par un cou-

rant d'eau froide qu’on tire d’une source ou d’un cours d'eau voisin au moyen d'une pompe aspirante et foulante mise en mouvement par la machine elle-même.

Y(. Parallélogramme articulé. Cette pièce est fixée à l'extrémité de la ligne du piston, à laquelle elle a pour but île conserver un mouvement rectiligne pendant sa course. Une des bielles qui forment les côtés du parallélogramme est articulée : 1° avec la tige du piston, et avec une autre bielle verticale faisant suite à cette tige; 2° avec un levier rigide relié à un centre fixe autour duquel il peut décrire un arc de cercle , et avec un troisième côté du parallélogramme. Le quatrième côté fait partie du grand diamètre du balancier. Lorsque celui-ci est poussé de bas en haut par l’élévation de la tige du piston, comme il est fixé par son milieu à un axe immobile, il tend à se mouvoir en suivant une ligne courbe ; mais le levier auquel il est relié par l’autre côté vertical du parallélogramme tend de son côté à lui faire suivre l’arc de cercle qu’il décrit dans un centre opposé. Or la position du centre fixe autour duquel se meut le levier est choisie de telle sorte , que ces deux mouvements circulaires se neutralisent et se combinent eu une direction moyenne sensiblement rectiligne. Le côté du parallélogramme qui fait suite à la tige du pistou se meut donc verticalement comme celle-ci, et communique à l’extrémité du balancier les impulsions alternatives de bas en haut et de liant en bas qu’elle reçoit de cette même tige.

Dans les machines à haute pression , le parallélogramme disparaissait nécessairement avec le balancier, et ces deux pièces sont remplacées par une simple bielle en prise avec l’arbre de couche. Pour empêcher que la tige du piston ne soit déviée de son mouvement rectiligne par la résistance oblique quelle éprouve de la part de cette bielle, ou fixe de chaque côté des coulisses parallèles, entre lesquelles elle glisse au moyen d’une roulette dont son extrémité est munie, et qui la

maintient forcément dans la ligne droite malgré les oscillations de la bielle.

Ylï. Balancier. Le balancier est une pièce de fer ayant la forme d’une ellipse très- allongée, traversée dans l’un et l'autre sens par deux tringles également en fer, représentant son grand et son petit diamètre , et dont par conséquent le point d’intersection marque le centre de l'ellipse. C'est par ce centre que le balancier est fixé à un arc porté par une lige immobile, sur laquelle il se meut dans un plan vertical. Une de ses extrémités tient, comme on vient de le voir, au parallélogramme articulé; l’autre communique avec une bielle en prise par une manivelle avec l'arbre de couche, qui communique le mouvement aux divers rouages de la machine.

VIII. Régulateur a force centrifuge. Cet ingénieux appareil, dû au génie de Watt , qui lui avait donné le nom de gouverneur , est destiné à régulariser le jeu du piston en augmentant ou diminuant, selon le besoin, la quantité de vapeur introduite dans le cylindre. Il est fondé sur les effets bien connus de la force dite centrifuge, qui tend à éloigner du centre toutes les molécules d’une masse quelconque tournant sur elle -même, et cela avec d’autant plus de force que le mouvement de rotation est plus rapide. Une plaque mobile est disposée dans le tuyau qui conduit la vapeur de la chaudière dans le cylindre. Elle communique, en dehors de ce tuyau, avec une manivelle verticale portée par l'un des bouts d’un levier horizontal se terminant à l'autre bout par un anneau qui embrasse une tige verticale creuse, traversée du haut en bas par une autre tringle pleine et fixe. La tige creuse est munie à sa partie inférieure d’une poulie, autour de laquelle s’enroule une courroie sans fin communiquant avec l’arbre de la machine; à sa partie supérieure est adapté le régulateur lui-même, il se compose de deux leviers se croisant sur la tige creuse et s’articulant au delà du point d'intersection, avec deux petites bielles qui se rejoignent et s'articulent de

nouveau sur la même tige, immédiatement au-dessus de l’anneau du levier horizontal. Chacun de ces deux leviers porte à son extrémité deux boules métalliques où le mouvement s’accumule de manière à rendre plus sensibles les effets de la force qu’on veut utiliser.

Supposons maintenant que la quantité de vapeur introduite dans le cylindre soit trop grande, et par conséquent le mouvement de la machine trop rapide. Ce mouvement se transmettra par la courroie sans fin à la poulie, et de là au régulateur. Alors, en vertu de la force centrifuge, les boules, s’écartant de la tige verticale, les extrémités supérieures des leviers s’en écarteront aussi , et forceront les petites bielles auxquelles ils sont articulés à glisser de haut en bas. Le levier horizontal, suivant ce mouvement, fera jouer la manivelle et fermera la soupape ; la communication entre la chaudière et le cylindre sera partiellement interceptée; la quantité de vapeur admise dans ce dernier sera diminuée en proportion, et le mouvement de la machine se ralentira.

Si, au contraire, ce mouvement était trop lent, l’effet inverse aurait lieu. Les boules, faiblement sollicitées par la force centrifuge, se rapprocheraient de la tige verticale ; les leviers croisés , au lieu d’abaisser le levier horizontal , le soulèveraient ; et la soupape, s’ouvrant toute grande, laisserait pénétrer dans le cylindre une abondance de vapeur qui accélérerait le jeu de la machine.

IX. Volant. C’est une grande roue en fer qui a pour axe l’arbre de la machine , et pour fonction d’en régulariser le mouvement , en le répartissant sur une masse considérable éloignée du centre de l’action.

X. Pompe alimentaire. Cette pompe puise de l’eau dans le réservoir et la refoule dans la chaudière. Son jeu est réglé de façon que la quantité d’eau injectée dans le générateur remplace exactement celle qui se perd par l’évaporation. La pompe alimentaire est aussi indispensable aux machines à

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haute pression qu'aux machines à basse pression ; mais elle est mise en mouvement dans les premières par l’arbre luimême , dans les secondes par une tige verticale fixée au balancier. On se sert depuis quelque temps, principalement sur les grands navires à vapeur, de pompes isolées mues par de petites machines qui portent le nom de Machines alimentaires .

XI. Pompe a air. La pompe à air a pour fonction d’extraire du condenseur Peau chaude provenant de la condensation de la vapeur, et de la transporter dans le réservoir qui sert à l’alimentation de la chaudière. Elle est mise en mouvement, comme la pompe alimentaire, par une tringle fixée au balancier de la machine à basse pression. 11 va sans dire qu’elle n’existe point dans la machine à haute pression, puisque celle-ci n’a point de condenseur.