AU PENDULE RÉGULATEUR DE LA MACHINE A VAPEUR

Lorsqu'on cherche à appliquer rigoureusement le principe de l'iso-

chronisme au régulateur des machines à vapeur, on rencontre des diffi-*

cultes qui proviennent surtout de l'imperfection de la valve, de Tintermit-

tence de la force motrice, de la grandeur des masses en mouvement et des

défauts de transmission.

Tous ces obstacles dont les influences se confondent ont déjà fait échouer bien des recherches, et ce n'est qu'en les discutant séparément à la lumière d'un principe nettement défini que Ton peut arriver à s'en rendre maître.

L'idée de compenser le défaut d'isochronisme par l'adjonction d'un contre-poids est déjà fort ancienne; mais il est constamment arrivé qu'eii

voulant forcer son influence on communiquait au régulateur une instabilité qui avait pour conséquence d'amener dans la machine une variation périodique de vitesse. Cet accident semble se moptrer d*une manière si fatale, que beaucoup d'ingénieurs ont fini par le considérer comme une conséquence nécessaire et inévitable de l'espèce d'équilibre indifférent qui résulte de l'isochronisation du régulateur. J'aurais sans doute partagé moimême cette erreur si les circonstances ne m'avaient conduit à faire mes premiers essais sur de simples rouages, où décidément j'avais réussi à atteindre et à dépasser l'isochronisme sans voir survenir l'inconvénieat d'une vitesse périodique. J'arrivais donc à ce résultat remarquable de régler un petit moteur de telle sorte que la vitesse augmentait uniformément pour une diminution progressive de la résistance et réciproquement. Ayant acquis la conviction que la variation fonctionnelle du pendule régulateur peut être intervertie, j'ai dû persister A considérer comme un simple accident ces alternatives de vitesses qui tendent à se produire dans la marche des machines à vapeur. L'expérience est venue prouver que j'étais dans le vrai, en sorte qu'aujourd'hui je me trouve en mesure de discuter les causes multiples qui provoquent l'établissement des viti^sses périodiques, et par suite je puis consigner ici les renseignements utiles pour parvenir à éviter cet écueil.

En principe, il est rigoureusement impossible d'empêcher que les variations de la puissance motrice ou de la résistance n'amènent dans la machine une variation temporaire de vitesse; mais il est également vrai de dire que l'on peut arbitrairement restreindre ces variations dans des limites déterminées.

Telle est, en effet, dans son acception propre, la véritable signification du difficile problème de la régularisation du mouvement des machines.

Puisqu'il est impossible d'empêcher les variations temporaires de vitesse, le côté pratique du problème est d'empêcher que ces variations ne dégénèrent en vitesse périodique. Mais le phénomène de la période reconnaît plusieurs causes, et pour procéder par ordre, je vais les examiner successivement en indiquant le moyen de les combattre.

La première cause devant laquelle tant d'inventeurs ont échouo, c'est

l'inégalité d'isochronisme aux différentes hauteurs du manchon. Quand un contre-poids intervient empiriquement pour égaliser un régulateur dont les proportions ne sont pas géométriquement définies par la suspension unique des bras et par Tégalité des côtés du quadrilatère articulé, on commence par lui donner une valeur insuffisante qui produit relativement un excellent effet, puis on augmente la charge, et, finalement, on réalise Tisochronisme pour un point déterminé de la course du manchon; mais en dessus et en dessous de ce point Fisochronisme est Taussé en deux sens opposés. Si d'un côté il pèche par excès, de Tautre c'est par défaut. Si donc le régulateur est en équilibre stable au-dessous de ce point, en dessus il sera instable ou réciproquement, et quand la machine sera en action, le régulateur fonctionnera comme ces mauvaises balances qui sont paresseuses d'un côté et folles de l'autre.

Voilà, à propos du régulateur, ce que j'appelle l'inégalité d'isochronisme; c'est en réalité l'influence du second terme de la loi des pressions à exercer sur le manchon, terme qui, dans les combinaisons empiriques, ne s'annule pas en même temps que le premier.

Quand, au contraire, une construction est susceptible de fournir l'isochronisme rigoureux, ce second terme est rigoureusement nul, c'est-à-dire que pour toute valeur des contre-poids la vitesse angulaire est toujours, comme dans le régulateur normal (mais à une constante près) , en raison inverse de la racine carrée de la distance du point articulé sur le manchon au point de suspension.

Dans les conditions d'isochronisme partiel, on trouve [comme expression générale de la vitesse angulaire du régulateur

n étant un coefficient qui pour l'isochronisme absolu est égal à 1 et qui devient plus grand ou plus petit que l'unité, suivant que la force variabU est plus petite ou plus grande que celle désignée précédemment (page /l39) par P (1 — cosa), ou, en d'autres termes, suivant que le mouvement du

contre-poids est inférieur ou supérieur à celui qui produit exactement i'isoctironisme.

Les diverses constructions que j*ai données précédemment tendent toutes vers la solution exacte avec un degré de précision qui ne dépend que de la dimension des organes. Soit donc que l'on s'en serve pour approcher, pour atteindre ou pour dépasser Tisochronisme, elles constituent des appareils qui dans toute l'étendue de la course du manchon reconnaissent, à un coefficient près, la même loi de stabilité que le pendule régulateur normal. C'est là un caractère distinclif que je signale et que je définis par Texpression d'égalité d'isochronisme. Dans l'application, celle égalité d'isochronisme a une valeur pratique en ce qu'elle constitue un des éléments de stabilité do système. Elle offre, en outre, l'avantage de laisser à l'ingénieur la fticullé de varier l'isochronisme à son gré.

En effet, dans les circonstances diverses où le pendule régulateur est appelé à fonctionner, la variété des cas exigera tantôt une grande régularité, comme dans les filatures, tantôt une grande stabilité, comme daus les scieries et dans les usines à laminoirs où le travail est irès-variable, et il importequC; sans rien changerdans la construction, on puisse sacrifier au besoin l'extrême précision à la stabilité ou Textréme stabilité à la précision. Quaud on est assuré d'avance de l'égalité d'isochronisme, on disposera l'appareil pour l'une ou pour l'autre spécialité en variant simplement le mouvemeat des contre-poids.

En résumé, l'égalité d'isochronisme, qui est un des caractères du nouveau régulateur, est en même temps un élément de stabilité et une facilité d'adaptation aux divers usages.

Une autre cause d'instabilité, que l'on rencontre encore dans la pratique, consiste principalement dans les défauts de transmission du mou'^ vement de la machine au régulateur* Supposons un régulateur faisant 1 tour par seconde et compensé assez exactement pour agir sous une varia* tion de ^^ de la vitesse, si le temps perdu dans les engrenages est de -^ de tour et que la machine vienne à perdre ^ de sa vitesse normale, il est clair qu'il s'écoulei*a une seconde avant que le régulateur ressente l'effet, et quand il ouvrira la valvej il l'ouvrira trop tard et de plus il rouvrira

trop longtemps, car à cause de ce même temps perdu il ne ressentira Taccélération qu'un certain temps après qu'elle sera survenue. On volt ainsi comment une variation périodique de vitesse est la conséquence nécessaire d'un défaut de solidarité entre la machine et le régulateur. L'élasticité ou le défaut de tension d'une courroie employée à commander le régulateur, donne lieu au même résultat et généralement l'élasticité ou le défaut de tension des courroies de toute la série des transmissions qui distribuent la force motrice est une cause d'altération périodique de vitesse d'autant plus à redouter que la quantité de force vive du matériel en mouvement est plus grande par rapport au travail actuel. Si donc on veut approcher de très-près l'isochronisme absolu, il faut éviter les courroies horizontales à longue portée, les tendre fortement et réduire autant que possible le temps perdu dans les engrenages. Si enfin l'engrenage est donné avec du temps perdu et qu'il faille l'accepter tel quel, il reste un moyen certain d*en éviter l'effet, c'est d'appliquer sur l'arbre du régulateur un frein que l'on serre à.point de manière à maintenir les engrenages en tension et en contact permanent.

En résumé, tout défaut de solidarité entre le régulateur et la machine, y compris les masses qu'elle met en mouvement, est une cause de varia^ tion périodique de la vitesse du système.

Une troisième difficulté qui se présente lorsqu'on veut compléter Tiso-» chronisme du régulateur appliqué à la machine à vapeur provient de l'intermittence delà force motrice qui entretient le système en mouvements Cette intermittence de la force motrice imprime nécessairement à la vitesse du système une variation dont la période coïncide avec celle des coups de piston. Dans ces conditions, un régulateur bien équilibré aura aussi un mouvement périodique des bras, une sorte de pulsation qui se transmettra à la valve; d'où il suit que, même dans le cours du régime régulier, l'admission de vapeur par la valve est perpétuellement et inutilement modifiée. Tant que ces mouvements ne dépassent pas une certaine étendue, leur influence est plutôt favorable en mettant dans tout le mécanisme une mobilité qui élimine les résistances passives, mais quand ils s'exagèrent au point de représenter une fraction notable du mouvement disponible entre les

deux positions extrêmes de la valve, la foiiciion se U ouvc compromise par des cahots accidentels qui n'ont aucune relation avec le besoin actuel. La vitesse moyenne peut n'être pas sensiblement altérée, mais le rhythme est troublé dans sa régularité et l'oreille cesse d'être pleinement satisfaite. Cet inconvénient se produil surtout dans les machines h marche lente, lorsque la vitesse du régulateur est plus grande que celle de la machine elle-même. Il faut, dans ce cas, se garder de charger le manchon comme la mode s'en est répandue dans ces derniers temps, t répartir la masse sur les boules. On ralentira par ce moyen la vitesse du régulateur et l'on modérera ses excursions sans rien perdre du pouvoir réglant.

En général, pour qu'un régulateur ait le degré de promptitude suffisant sans trop accuser les coups de piston, il convient de lui donner la même vitesse que celle de la machine. Il importe, en outre, de le faire fonctionner sous l'angle moyen de &5 degrés.

Il existe encore une autre cause dinstabiiité qui tend également à produire la vitesse périodique, c'est l'inertie des boules estimée parallèlement à l'axe de rotation du régulateur; mais comme cette inertie ne peut être éliminée qu'en remplaçant la gravité par l'élasticité de ressorts à masse négligeable, je renvoie le lecteur à un autre chapitre où il trouvera la description du régulateur à ressort complètement à l'abri des effets de l'inertie.

Je profite cependant de l'occasion pour signaler l'inconvénient du levier en charge (fig. 6), employé pour accélérer la rotation du pendule et généralement de toute combinaison ayant pour objet de produire cette accélération par l'amplification du parcours de masses additionnelles dont l'inertie augmente avec le carré de leur propre vitesse.

Une autre cause d'instabilité dont il sera parlé plus loin consiste dans les conditions d'établissement de la valve et de sa mise en relation avec le régulateur.

Hésiimé des détails pratiques. — L'instabilité du régulateur est un danger et non une conséquence nécessaire de l'isochronisme.

L'instabilité n'altère pas la vitesse moyenne de la machine, mais elle détermine l'établissement d'une variation périodique de marche absolu-

ment inacceptable dans les applications industrielles. LMnstabilité procède de plusieurs causes qui ordinairement se combinent ensemble et sont assez difficiles à démêler.

La première cause à signaler est due à Tinégalité d'isochronisme. Cette inégalité résulte nécessairement de Tapplication empirique d'un contre-poids à tout régulateur qui s'écarte plus ou moins du type que je désigne par Tex pression de pendule régulateur normal (point de suspension unique pour les bras, articulation unique pour les côtés additionnels, égalité des côtés du quadrilatère articulé).

Cette inégalité consiste en ce que Tisochronisme n'est réalisé que pour un point de la course du manchon; il en résulte nécessairement que le pendule n*a plus d'équilibre possible en dessus ou en dessous de ce point. Les diverses combinaisons décrites au brevet échappent à cet inconvénient parce qu'elles réalisent Tisochronisme dans toute l'étendue de la course du manchon.

L'égalité d'isochronisme est une condition de stabilité en ce qu'elle rend possible l'équilibre du pendule dans toute l'étendue delà course du manchon; mais elle fournit encore le moyen de faire varier à volonté la sensibilité du régulateur par le seul déplacement d'un contre-poids sur sa tige.

Une seconde cause d'instabilité provient du temps perdu dans les engrenages ou de l'élasticité de courroies légères ou mal tendues. Je recommande de tendre les courroies, de leur donner l'épaisseur voulue, et pour supprimer le temps perdu des engrenages, j'indique d'appliquer un frein modérément serré sur l'arbre du régulateur.

Comme troisième cause d'instabilité je signale un défaut de proportion entre la vitesse de la machine et celle du régulateur, et je conseille de disposer de la charge du manchon et de la longueur des bras, de manière à ramènera peu près ces deux vitesses à l'égalité. C'est pour moi la seule valeur pratique de cette surcharge appliquée au manchon d'une disposition dont on a tant abusé dans ces derniers temps.