Utilité d'un indicateur de la pression dans

LES CYLINDRES DES MACHINES A VAPEUR. H y a longtemps 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 effet 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 l'aire des tuyaux et passages des orifices devait être y$ 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 fer a étendu l'emploi des machines locomotives, dont les pistons ont souvent des vitesses de 2",oo a :2",5o, et quelquefois plus.

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

Plus loin il ajoute (page 1 85) que « si la quantité de « vapeur formée dans la chaudière n'était pas constama ment égale à celle qui s'échappe par la soupape du ré- (c gulateur, son élasticité et sa vitesse d'écoulement dimi- « nueraient nécessairement : par suite aussi la vitesse u du piston se ralentirait jusqu'à ce que l'équilibre s'éta- « blit 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 a peut être produite dans un temps donné et sous une « pression déterminée. Il serait donc tout à fait inutile, (c pour donner à la machine une plus grande puissance, « d'augmenter les dimensions du cylindre, si l'on ne (c 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 18126 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 rartillerie^ 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 dei;ix pressions sont à peu près égales.

Mais si l'on est d'accord sur ce point, il n'eu 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 piston, 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.

58. Indicateur de Watt perfectionné par M. Mac- NAV.GKT. — SES DÉFAUTS. — Pour déterminer le d^ré plus ou moins complet du vide obtenu dans le cylindre des machines à vapeur à condensation, Watt avait imaginé un petit appareil à piston et à ressort, auquel il avait donné le nom à! indicateur, et qui est décrit dans l'article Steam and stecpn engine, écrit par le doclem' J. Robispn pour V Encyclopédie britannique. Cet appareil a reçu dans cçs 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 efibrts, de ne donner qu'une seule trace de la relation qui s'établit entre les pressipns et les positions du grand piston, et.

de plus, que le mouvement du cylindre, qui reçoit cette trace, n'est pas commandé d'une manière assez régulière, pour qu'on ait exactement les positions du piston correspondantes à des pressions données. Il est vrai que cela est assez indifierent 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 à 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 l?i courbe et la courbe elle-^néme, 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.

59. Description du nouvel indicateur propose. — - On rempbce le tu^au graisseui^ par un autre à deux robinets entre lesquels est une branche du même tube coudée horizoutale]39ient,allésée à Tintérieur au diamètre de o"*,oio et exactement tournée à l'extérieur. Sur ce cylindre s'engage îx frottement doux une douille a a

(PI. V, Fig. I et 3) qui se trouve ainsi parfaitement concentrique à l'axe delà partie coudée du tujau. Un piston plein de o"',oio de 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 différence de ces deux pressions. Ce piston est tout à fait libre dans le tuyau et ne porte aucune garniture y 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 by 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 66, fixée par son autre extrémité à un support à fourche/i 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 servira 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 ddu 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 f 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 Tair, 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

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développée par la vapeur sur le pistcm , et de recueillir ainsi sur les machines à vapeur des divers sjstèmes 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 2 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 0^,04 1 à di'oite 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 ey donne la tension pendant la durée de l'introduction et montre qu'elle est sensiblement constante; la partie fg 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 hddel^ 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",i92 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*" 12 pour le dynamomètre destiné aux voitures, et il est inutile d'en parler.

note sur les divers dispositifs de montage

des dynamomètres employés dans differents cas

et sur la manière de procéder aux expériences.

41. Dynamomètres appliqués aux charrues a avanttrain. — Lorsqu'il s'agit d'expériences sur les charrues l\ a Vaut- 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- Itain (PI. I , Fig. 6 ), par Tintermédiaire d'une pièce en fer ou en fonte m riy maintenue par deux boulons a et b. Une patte ûd 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 Je moyen d'une cotxle 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 potir 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 là roue et celui de la partie du moyeu enveloppée par la corde sans fin, étant donnés , on pourra disposer de celui de la poulie ^^ de manière que la longueur de papier, qui passe par mètre cout*ant de sillon, soit comprise entre lo et '20 millimètres; de sorte qu'avec une bande de papier de 16 mètres

environ y on pourra tracer 1^600 ou 800 mètres de sillon. Il 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 y 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 x)rdinair£S. — 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 manière, 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 Taxe de la haie.

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

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 kialage des bateaux, il faut nécessairement employer un moteur chronométrique. Le dynamomètre et son moteur sont fixés sur un support a {VI. II, Fig. 4 et 5), qui se termine par une tige arrondie de o"So4 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 antérieure est remplacé par une pièce a ô^ à deux branches , dont l'une b formant femelle de charnière est percée poiu*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 dy dépasse un peu la fourche, et est aiTondi en dedans, pour que la corde ne soit pas coupée. Le long brsie^e levier bc est un peu recourbé vers Textrémité et porte un épatilement contre lequel vient s'appuyer un anneau dans lequel la corde est passée.

Loi^sque 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 hoi^ de la branche, et, au moment convenable, on lâche le levier, la corde échappe d^elle-méme. Le levier bd ayant o",3o h o"*,55 de longueur, tandis que le bras de levier de la tension n'est, au plus, que de o",oa à o",oa5, on voit que, d'une seule main, un homme, qu^peut exercer un effort de i5 à !io kil. pendant quelque temps, pourra facilement manœuvrer ce débillage , même quand les chevaux exerceront un effort de i5o à 3oo kil.

43i Dispositif I»our mesurer l'effort exercé par

DES CHEVAUX POUR RETENIR UNE VOItURE. LorsqUC l'otl

veut mesurer l'effort que des chevaux exercent pour retenir une voitui-e , on peut employer le moyen suivant. Une douille ab (ï^l. II, Fig. 8) s'emmanche sur le bout du timon et s'y fixe par des vis de pression c y et par des clefs de calage. Sa partie supérieure forme une chape qui reçoit deux poulies, dont le plan est parallèle au timOn, et de o***,io environ de diamètre à la gorgé; chacun des bouts d'une corde, dont le milieu est fixé a l'anneau du dynamomètre, placé sur l'avant-train, vient passer dans l'une de ces poulies et s'attache au collier ou h l'anneau du poitrail du harnais. Il résulte de cette disposition , fort simple, que chacun des chevaux

en retenant ^ tend un des brins de la dorde ^ et que la somme des tensions^ mesurée par le dynamomètre ^ indique celle des composantes de l'effort exercé dans le sens du mouvemetit de la voiture.

Par ce dispositif^ l'instrument peut fonctionner successivement dans les descentes par les cordages de retraite, et, dans les montées, par les traits. Le pinceau de pointage permet, d'ailleurs, d'indiquer les traces qui appartiennent à chaque période. Cet appareil , appliqué à une diligence , a parfaitement fonctionné.

46. VÉRIFICATION DES LAMES. — Je ne crois pas devoir parler en détail de la vérification de la tare des lames djnamométriques : c'est une opération préalable de rigueur, qui doit être faite en suspendant des poids à l'instrument , et en mesurant ses flexions à l'aide d'un compas à coulisse , donnant les dixièmes de millimètres. Il faut seulement avoir attention de ne faire cette vérification qu'avec la griffe d'arrêt , afin d'éviter que quel-^ que maladresse dans la pose des poids n'occasionne des oscillations qui , en dépassant les limites fixées, seraient susceptibles d'altérer l'élasticité de la lame.

47. Des styles.— Si l'on emploie pour style un pinceau alimenté d'encre de Chine contenue dans un tube, ainsi que nous Tavons fait ordinairement, il faut, avant et après chaque séance d'expériences, laver ce pinceau en le pressant et en le roulant dans les doigts, pour éviter que les petits <!onduits capillaires qui se trouTcnt entre les poils ne se trouvent obstrués.

L'encre préparée d'avance et contenue dans une petite fiole, ne doit pas être trop épaisse ni trop claire. Si le pinceau en fournit trop , ce qui arrive souvent aux premiers instants , il suffit de le tirer en dehors pour le

serrer plus fortement dans sa douille conique. Si , an contraire y il cesse de s'alimenter, on le poussera un peu en dedans du tube, et, en soufflant par le haut, on déterminera l'écoulement d'une goutte d'encre , après quoi on le tirera de nouveau en dehors.

La vis ou le petit ressort à boudin interposé entre la vis et l'épaulement du tube, facilite le règlement de la hauteur du style, de manière à obtenir des indications nettes et fines.

48. Préparation aux expériences. — Après avoir monté l'instrument sur la voiture, on ajuste le renvoi de mouvement , de manière que l'axe de la vis sans fin du dynamomètre et celui de la poulie de renvoi soient, autant que possible, dans le prolongement l'un de l'autre , sans qu'il soit tdUt à fait nécessaire de satisfaire exactement à cette condition. La corde de renvoi doit être une corde de boyaux, dont on réunira les deux extrémités par une ligature faite avec du fil de laiton fin , ce qui est beaucoup plus commode que des agrafes ordinaires. On aura soin de garnir d'huile fine tous les axes. Gela fait et la soie motrice étant toute enroulée sur la fusée, on collera l'extrémité de la feuille sur le cylindre récepteur. On ajustera alors le pinceau ou le style du zéro et celui qui décrit les courbes , de telle sorte qu'en faisant marcher le papier à la main , et le ressort n'étant pas tendu, ces deux styles tracent exactement la même ligne droite. On arrêtera le style du zétfo dans cette position. Si l'on opère sur des bateaux, on disposera les styles qui servent à pointer les temps et les distances de façon que l'un marque au-dessus l'autre au-dessous de la ligne du zéro.

Quand une expérience sera finie , on décollera l'extrémité de la feuille de papier, qui est fixée au cylindre

magasin^ on desserrera Técrou du manchon de friction ^ qui rend le pignon de la vis sans fin solidaire avec son axe; celui-ci et le cylindre moteur qui porte la soie pourront alors tourner librement, de façon qu'en tirant la bande de papier du côté du cylindre magasin, on renvidera naturellement la soie sur les hélices de la fusée , et il ne restera qu'à replacer une autre feuille de papier.