Utilité d’un indicateur de la pression dans

LES CYLINDRES DES MACHINES A VAPEUR. U y a long-

temps que l'illustre Watt avait reconnu la nécessité d’étudier, par expérience, la relation qui s’établit entre la tension de la vapeur dans les chaudières et celle qui a lieu dans le cylindre. Il savait parfaitement que ces deux tensions ne sont sensiblement égales que dans certaines conditions et proportions particulières de dimensions et de vitesses, et c’est pour parvenir à approcher de cette égalité favorable au jeu et au meilleur elï’et de ces machines qu’il avait établi, par exemple, comme base de leur marche, que la vitesse du piston devrait s’éloigner fort peu d’un mètre par seconde pour les machines de force ordinaire et que faire des tuyaux et passages des orifices devait être âîf.de celle du piston.

Cette nécessité est devenue plus sensible encore par suite du grand nombre de systèmes et de dispositifs adoptés pour la construction des machines à vapeur, où la pression, la détente et la condensation sont combinées de manières différentes et difficiles quelquefois à apprécier, mais surtout depuis que l’établissement des chemins de fera étendu l’emploi des machines locomotives, dont les pistons ont souvent des vitesses de 2 m ,oo à 2 m ,5o, et quelquefois plus.

Wood avait aussi appelé l’attention des ingénieurs sur ce sujet. On lit, en effet, dans son Traité pratique des chemins de fer (page i85 de la traduction de la seconde édition par MM. Montricher et de Franqueville) : « La vitesse d’écoulement de la vapeur et, par suite, sa u pression sur la surface du piston dépend de la valeur « de la résistance qui s’exerce sur le piston » .... et, « dans « tous les cas, l’élasticité de la vapeur dans la chaudière « et son élasticité dans le corps de pompe ont des valeurs « différentes et sont mesurées, l’une par la pression « exercée sur la soupape de sûreté, l’autre par la résis- « tance qui s’oppose au mouvement du piston. »

Plus loin il ajoute (page i85) que « si la quantité de « vapeur formée dans la chaudière n’était pas constam- « ment égale à celle qui s’échappe par la soupape du ré- « gulateur, son élasticité et sa vitesse d’écoulement dimi- <f nueraient nécessairement : par suite aussi la vitesse « du piston se ralentirait jusqu’à ce que l’équilibre s’éta- « blît entre les quantités de vapeurs produites et dé- « pensées.

« En résumé , ajoute-t-il , la vitesse des machines « locomotives est réglée par la quantité de vapeur qui « peut être produite dans un temps donné et sous une « pression déterminée. Il serait donc tout à fait inutile,

« pour donner à la machine une plus grande puissance,

« d’augmenter les dimensions du cylindre, si l’on ne « pouvait augmenter en même temps la puissance de « vaporisation de la chaudière. »

A ces citations je pourrais en ajouter d’autres tirées du cours de mécanique appliquée, professé, de 1826 à i83i, à l’école de Metz par M. Poncelet; d’un Mémoire sur les expériences que j’ai faites en 1828 sur la machine à vapeur de la fonderie de Douai et qui est inséré dans le

3* numéro du Mémorial de l artillerie, et des ouvrages de M. Pambour, qui a beaucoup et avec raison insisté sur cet objet, pour montrer que depuis longtemps les ingénieurs sont d’accord pour reconnaître que la pression de la vapeur dans le cylindre est généralement inférieure à celle qui a lieu dans la chaudière, et que ce n’est que dans certaines circonstances et proportions, d’ailleurs généralement observées dans les bonnes machines, que ces deux pressions sont à peu près égales.

Mais si l’on est d’accord sur ce point, il n’en reste pas moins des difficultés assez grandes pour déterminer la valeur réelle de la pression dans le cylindre selon les proportions de la vitesse du pistou , de la détente et des orifices d’admission et d’émission, pour qu’un instrument qui fournirait à la science et à la pratique des indications exactes ne puisse être fort utile aux progrès de l’une et de l’autre.

38. Indicateur de Watt perfectionné par M. Macnaught. — ses defaüts. — Pour déterminer le degré plus ou moins complet du vide obtenu dans le cylindre des machines à vapeur à condensation, Watt avait imagiué un petit appareil à piston et à ressort, auquel il avait donné le nom d 'indicateur, et qui est décrit dans l’article S team and. s team engine, écrit par le docteur J. Robison pour Y Encyclopédie britannique. Cet appareil a reçu dans ces derniers temps de M. Macnaught des perfectionnements notables , et on en trouve dans les Annales des mines une description publiée par M. Combes.

Mais on peut reprocher à cet instrument, abstraction faite de la difficulté d’obtenir un ressort en spirale qui prenne des flexions proportionnelles aux efforts, de ne donner qu’une seule trace de la relation qui s’établit entre les pressions et les positions du grand piston, et.

de plus, que le mouvement du cylindre, qui reçoit cette trace, il est pas commandé d’une manière assez régulière, pour qu’on ait exactement les positions du piston correspondantes à des pressions données. II est vrai que cela est assez indifférent pour le résultat de la méthode de calcul de M. Macnaught , qui se contente de prendre la somme d’un certain nombre de valeurs delà pression correspondantes a des ordonnées équidistantes et de diviser cette somme par le nombre des valeurs, pour avoir la pression moyenne, ce qui est loin d’être exact. En effet, la véritable valeur de la pression moyenne, ou de la pression constante qui, agissant pendant toute la course, produirait le même travail mécanique, doit être déterminée, comme on le sait, par la méthode des quadratures de Simpson , en calculant l’aire comprise entre la ligne du zéro des pressions, les ordonnées extrêmes de la courbe et la com be elle-même, et en divisant cette aire par la longueur de la course ou la distance des ordonnées extrêmes; ce qui exige que cette distance soit dans un rapport exact et constant avec la longueur de course.

C’est par ces motifs que j’ai pensé qu’il serait utile de construire un petit appareil dynamométrique susceptible d’indiquer pendant un assez grand nombre de courses du piston la valeur de la pression , «à toutes ses positions, avec le degré de précision désirable. Voici la disposition que je lui ai donnée pour les machines fixes.

39 . Description du nouvel indicateur proposé. — remplace le tuyau graisseur par un autre à deux robinets entre lesquels eSt une branche du même tube coudée horizontalement, allésée à l’intérieur au diamètre de o m ,oio et exactement tournée à l’extérieur. Sur ce cylindre s’engage à frottement doux une douille a a

(Pl.V, Fig. i et 3) qui se trouve ainsi parfaitement concentrique à l’axe delà partie coudée du tujau. Un piston plein de o m ,oiode diamètre également concentrique à ce même cylindre entre à frottement libre dans le tuyau.

Il est clair que l’action de la vapeur tend à repousser ce piston en dehors, et celle de l’atmosphère à le pousser en dedans avec une intensité proportionnelle à sa surface et à la ditférence de ces deux pressions. Ce piston est tout à fait libre dans le tuyau et ne porte aucune garniture, mais il est graissé et cela suffit pour que la vapeur ne s’échappe pas.

Le corps du piston est prolongé par une partie cylindrique b, qui traverse à frottement doux un guide c au moyen duquel sa direction est parfaitement assurée. Il est renflé au milieu de sa longueur et présente une ouverture dans laquelle s'engage l’extrémité d’une lame de ressort parabolique ee, fixée par son autre extrémité à un support à fourche f. La lame a une longueur telle qu’elle peut prendre d’un côté et de l’autre plusieurs centimètres de flexion , et comme on peut employer des lames plus ou moins roides, l’instrument peut servir à mesurer des pressions comprises depuis une jusqu’à dix atmosphères. Ainsi, par exemple, pour une machine à haute pression fonctionnant à quatre atmosphères en sus de la pression atmosphérique, chaque atmosphère pourrait correspondre à dix à douze millimètres de flexion de la lame, ce qui est d’une précision bien suffisante.

La partie quarrée d du piston porte en avant de la lame un style g formé par un pinceau ou par un crayon et qui trace sur une bande de papier la courbe des flexions ou des tensions de la vapeur. Un autre style fixe h ajusté de manière à tracer la même ligne droite que le style mo-

bile, quand le ressort est au repos, indique le zéro des pressions. Lorsque la vapeur est introduite sur le piston de la machine, elle repousse le petit en dehors et la courbe tracée est au delà de la ligne du zéro ; quand, au contraire, la vapeur se détend et s’échappe, soit dans l’air, soit au condenseur , la courbe se rapproche de la ligne du zéro ou même la dépasse. Dans tous les cas on a sur la bande de papier une trace de toutes les variations de la pression.

Pour permettre de la lier aux diverses positions du piston, un troisième style fixe h est disposé de manière à marquer un point sur la feuille de papier, à la fin de chaque course du piston de la machine. A cet effet, une tige verticale i i guidée dans des coulants est ajustée de façon que le balancier ou la traverse supérieure du piston la touche à la fin de chaque course descendante. Un système de deux leviers kk et II transmet ce mouvement intermittent au style, qui est soutenu à une distance convenable du papier par un ressort à boudin , et qui se relève après avoir marqué un point correspondant à la position inférieure du piston, La distance de deux points consécutifs répond à deux courses simples , et il est facile par une expérience préalable de la fractionner en parties correspondantes aux diverses positions de ce piston. L’échelle, ainsi formée, étant reportée dans chaque intervalle des points de repère, on aura par la courbe les pressions correspondantes à chaque position du piston, ce qui permettra d’étudier toutes les circonstances de l’introduction, de la détente, de la condensation ou de l’échappement de la vapeur , l’influence de la dimension des tuyaux, des orifices d’admission et d’émission , de calculer, à l’aide de la méthode de quadrature de Simpson, la quantité de travail réellement

développée par la vapeur sur le piston , et de recueillir ainsi sur les machines à vapeur des divers systèmes une foule de données également utiles à la pratique et à la théorie.

40. Exemple d’une des courbes de flexion. — La figure i, planche 5, représente à l’échelle de i pour i une partie des courbes obtenues sur une machine à haute pression et détente sans condensation. Le point a est le repère servant à indiquer la fin des courses descendantes ; le style qui le marque étant à o“,o4i à gauche de celui de la lame, il faut porter o m ,o4» à droite du point a pour avoir le point b qui représente l’origine de la course. Le point d de l’ordonnée b d répond au commencement de l’introduction de la vapeur; la portion ef donne la tension pendant la durée de l’introduction et montre qu’elle est sensiblement constante; la partie f g fournit la tension variable pendant la fermeture des orifices et une partie de la détente ; g h fournit la pression pendant le reste de la détente. La seconde moitié h d de la courbe répond à la montée du piston et donne par conséquent la pression de la vapeur pendant l’échappement de la vapeur. La longueur totale de papier qui passe pendant une course double du piston est ici de o m ,i 92 et peut selon le rapport des renvois de mouvement devenir plus longue ou plus courte quand on le désire.

Cet exemple suffit pour montrer tout le parti que l’on peut tirer de ce petit instrument pour des observations sur des machines à vapeur de tout genre. Quant au mode de transmission du mouvement de la machine à la bande de papier, il est entièrement analogue à celui qui a été décrit au n° 1 1 pour le dynamomètre destiné aux voitures, et il est inutile d’en parler.

NOTE SDH LES ‘DIVERS DISPOSITIFS DE MONTAGE DES DYNAMOMÈTRES EMPLOYÉS DANS DIFFÉRENTS CAS ET SCR LA MANIÈRE DE PROCÉDER AUX EXPÉRIENCES.

41. Dynamomètres appliqués aux charrues a avanttrain. — Lorsqu’il s’agit d’expériences sur les charrues à avant-train , dans lesquelles on se propose de faire varier la largeur des sillons , l’instrument se fixe sur le devant de la fourchette de l’avant-train (PI. I , Fig. 6 ), par l’intermédiaire d’une pièce en fer ou en fonte m n, maintenue par deux boulons a et b. Une patte cd est liée à la platine par deux boulons , et afin de pouvoir donner aux sillons des largeurs différentes, on a percé sur cette platine des trous qui sont deux à deux perpendiculaires à la direction de l’essieu, de manière que l’instrument peut se placer plus ou moins près de la direction de l’âge.

La vis reçoit le mouvement par le moyen d’une corde sans fin , qui enveloppe le moyeu de la roue et une poulie e dont l’axe peut, à volonté, s’embrayer, à l’aide du manchon d, avec une transmission de mouvement à deux joints universels , qui ont pour but d’obvier au défaut de parallélisme de l’axe de la vis et de celui de la poulie.

La vis sans fin , le diamètre de la roue et celui de la partie du moyeu enveloppée par la corde sans fin , étant donnés , on pourra disposer de celui de la poulie e , de manière que la longueur de papier, qui passe par mètre courant de sillon, soit comprise entre io et ao millimètres; de sorte qu’avec une bande de papier de 16 mètres

environ, on pourra tracer 1,600 ou 800 mètres de sillon. 11 est nécessaire que le papier ne marche pas plus lentement, afin que les oscillations du ressort ou les variations de l’effort ne donnent pas des courbes dont les côtés fassent de trop grands angles avec la ligne du zéro , ce qui rend leur relèvement plus difficile et moins exact.

Il n’y a, d’ailleurs, d’autre inconvénient à ce que le papier marche plus rapidement que nous venons de l’indiquer, que la nécessité de changer les feuilles plus souvent, et d’augmenter, sans utilité, la longueur du relèvement des courbes.

42 . Voitures ordinaires. — Pour les voitures ordinaires , la direction du tirage devant toujours être celle de leur axe longitudinal et comprise dans le plan des traits , il suffit de placer sur les fourchettes ou sur le timon un support qui s’engage dans la griffe postérieure de l’instrument; sa forme dépend de la disposition de la voiture et ne présente aucune difficulté particulière.

Le renvoi de mouvement se fait de même que ci-dessus et est supporté sur une planchette fixée convenablement sur l'avant-train.

45 . Charrues sans avant-train. — Pour les charrues sans avant-train, parmi lesquelles on peut prendre pour exemple la charrue de M. de Dombasle, on remplace le régulateur ordinaire par une pièce enfer analogue (PI. II, Fig. 5 et 6) , qui traverse l’âge ou la haie de la même mauière, et peut, à volonté, s’élever ou s’abaisser. La partie inférieure est recourbée à angle droit et horizontalement, de manière à présenter une platine c , dont la longueur est perpendiculaire à la haie.

C’est sur cette platine que se fixe, par deux boulons, le support du dynamomètre et de son moteur, et comme il peut être placé plus ou moins loin de l’axe de la haie.

on peut faire varier dans des limites étendues la largeur des sillons.

On peut généralement, dans ce cas, transmettre le mouvement à la bande de papier, par un dispositif analogue à celui qui est employé pour les voitures ordinaires, en plaçant derrière la charrue une roulette suspendue par une chape mobile autour d’un boulon , qui traverse le derrière de l’âge, et en employant comme à l’ordinaire une corde sans fin. Alors la longueur de papier est encore proportionnelle au chemin parcouru. Cette disposition a l’avantage d’être plus économique que l’emploi d’un moteur chronométrique. Quelques charrues sans avanttrain ont en avant une roulette qui faciliterait l’usage de ce dispositif.

44. Bateaux. — Lorsque l’on veut faire des expériences sur le halage des bateaux, il faut nécessairement employer un moteur chronométrique. Le dynamomètre et son moteur sont fixés sur un support a { PI. II, Fig. 4 et 5), qui se texmine par une tige arrondie de o"',o4 de diamètre, engagée dans des colliers montés sur l’une des poupées ou sur un petit mât. L’instrument peut alors suivre toutes les directions de la ligne de halage.

S’il s’agit d’expériences à faire au trot ou au galop , il faut se ménager le moyen de lâcher rapidement la ligne de halage, dans le cas des passages des ponts ou d’obstacles, quand même les chevaux n’arrêteraient pas à temps, sans quoi l’on serait exposé à des accidents graves. On y parvient par le dispositif suivant :

L’anneau mobile de la griffe antéi’ieure est remplacé par une pièce ab , à deux branches, dont l’une b formant femelle de charnière est percée pour le passage d’un boulon, et l’autre a est fendue. Un levier, coudé à angle un peu obtus, s’engage dans cette pièce et son petit bras

b d, dépasse un peu la fourche, et est arrondi en dedans, pour que la corde ne soit pas coupée. Le long bras de levier bc est un peu recourbé vers l’extrémité et porte un épaulement contre lequel vient s’appuyer un anneau dans lequel la corde est passée.

Lorsque les chevaux tirent , la tension de la corde tend à faire tourner le levier coudé, mais l’anneau s’y oppose. Quand , au contraire , on veut lâcher rapidement la ligne de halage , on serre avec la main le bras bd contre la corde, on fait glisser l’anneau hors de la branche, et, au moment convenable, on lâche le levier, la corde échappe d’elle-même. Le levier bd ayant o m ,3o à o m ,35 de longueur, tandis que le bras de levier de la tension n’est, au plus, que de o ra ,oa à o m ,oa5, on voit que , d’une seule main , un homme , qui peut exercer un effort de i5 à ao kil. pendant quelque temps, pourra facilement manoeuvrer ce débillage , même quand les chevaux exerceront un effort de a5o à 3oo kil.