EXPOSÉ DU SYSTÈME
§ 1. — Principe.
Tout le monde sait que le l'enrentement de ht vapeur, manœuvre difficile et souvent dangereuse, consistait à changer le sens de la distribution, à placer le levier de changement de marche dans la position qui convient à la marche en arrière, tandis que la machine continuait à marcher en avant. — Dans le renversement de la vapeur proprement dit, tel que les mécaniciens le pratiquaient en cas de danger imminent, pour obtenir un arrêt très-prompt, le régulateur était ouvert en grand ; la vapeur de la chaudière admise à contre-sens de la marche des pistons dans les cylindres, les remplissait, puis se trouvait refoulée aussitôt vers son point de départ, en mélange avec les gaz de la combustion aspirés dans la boîte à fumée.
Les efîets bien connus de cette manœuvre étaient un rapide échauffement de la masse métallique des cylindres
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MARCHE A CONTBE-VAPEÜR
et de leurs accessoires, le gri[)pement des pièces frottantes, la carbonisation des garnitures de presse-éfoupes, la destruction des joints, et accessoirement une surélévation de pression dans la chaudière, qu’il eût été d’ailleurs facile de prévenir en desserrant les soupapes.
On remédie à tous ces inconvénients au moyen d’un artifice très-simple, consistant à faire pénétrer dans les cylindres, d’une manière permanente, une petite quantité d’eau chaude dérivée de la chaudière.
A cet effet, on établit une communication entre la chaudière et la base du tuyau d’échappement, au moyen d’un tuyau de petit diamètre, muni d’un robinet à la main du mécanicien.
Au moment où il doit renverser la vapeur, le mécanicien ouvre ce robinet; l’eau sortant de la chaudière, où elle était à haute pression et à haute température, entre en ébullition spontanée par suite de la brusque diminution de pression, et forme un mélange de vapeur et d’eau, un brouillard aqueux, contenant, en poids, de 85 à 90 pour 100 d’eau contre 15 à 10 pour 100 de vapeur, suivant la pression initiale.
Ce mélange est aspiré dans les cylindres, où il achève de se réduire en vapeur. La vaporisation atteint des proportions telles que la vapeur formée suffit à remplir les cylindres, et fournit en outre un excédant qui s’échappe par la cheminée sous forme de panache. — Si l’eau est injectée en excès, le panache devient volumineux et floconneux, et l’eau surabondante est entraînée.
La valorisation produite dans les cylindres suffit, et bien au delà, pour les rafraîchir et pour absorber la chaleur dégagée jiar le fait même du travail à vapeur renversée.
Le mécanicien n’a d’autre précaution à prendre que de régler l’ouverture de son robinet de manière à obtenir un
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panache qui soit bien apparent, sans être trop fort ou accompagné d’une émission d’eau.
Une injection d’eau en très-grand excès n’a d’ailleurs pas d’inconvénient au point de vue des chances d’avarie, le mélange de vapeur et d’eau cessant au delà d’une certaine limite de pénétrer dans les cylindres et se trouvant rejeté à l’extérieur.
La solution est des plus-élastiques.
L’origine du tuyau d’injection peut être à un point quelconque de la chaudière au-dessous du plan d’eau ; mais il est évident que sa position naturelle est à l’arrière de la machine, sous la main du mécanicien, de manière que celui-ci n’ait pas à manœuvrer le robinet au moyen d’une tringle.
Le diamètre des tuyaux peut être très-variable ; il faut qu’il ne soit ni trop petit ni trop grand ; on trouve des diamètres de 20 à 40 millimètres, se réduisant jusqu’à 9 millimètres et demi dans la partie qui avoisine le robinet. J’estime, sans être encore en mesure de le démontrer, qu’un diamètre de 20 millimètres, à partir du robinet, sera généralement le plus convenable, pour Vinjection d eau seule. — La précaution essentielle, lorsque les cylindres sont extérieurs, et que le tuyau d’injection doit se bifurquer, est de faire une bifurcation bien symétrique.
Il y a intérêt, au point de vue des projections d’eau à l’extérieur, à rapprocher les points d’implantation de l’origine de l’échappement; mais ce n’est pas une condition nécessaire, les différences de position se traduisent par un peu plus ou un peu moins de soin à prendre par le mécanicien pour éviter des projections d’eau.
La forme des robinets peut être très-variable, j’en ai déjà compté cinq ou six types différents ; le meilleur sera
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celui qui donnera la plus grande course du volant, ou du levier de commandej entre le zéro et le maximum de débit, qu’on peut fixer à 30 kilogrammes par minute. — Il convient de ménager des facilités de nettoyage ou d’injection supplémentaire pour les cas d’obstruction de l’orifice de prise d’eau.
Dans CCS conditions, rien n’est plus simple que l’instruction à donner au mécanicien ; ouvrir le robinet au moment d opérer le renversement de la vapeur; régler [ ouverture du robinet de manière à éviter une injection exagérée.
Il n’y a jamais à craindre le chauffage et le grippement, parce que la quantité d’eau à vaporiser, pour absorber la chaleur due au travail de la vapeur renversée, n’est qu’une fraction de celle qu’il faut vaporiser pour le remplissage des cylindres, un tiers environ. — Par suite, les rentrées de gaz fixes, même en cas d’injection très-insuffisante, n’ont d’autre inconvénient que de faire souiller les soupafies, et de déranger les injecIcurs-Giffard. — Cet inconvénient est nul lorsiiuc l’alimentation en marche se fait avec une pompe; on peut même chercher le moyen d’économiser la dépense de combustible inhérente à la conire-vapeur avec ])anache de vapeur pc.rdue, en se tenant très-près de la limite d’injection, et en risquant de produire des rentrées de gaz accidentelles, dont on se débarrasse avec le souffleur, ou en soulevant les soupapes, si la machine n’a pas de pompe.
§ 2 . — liiibrlflcatlAu des pièces frottantes.
Mais il n’est pas démontré qu’il y ait intérêt à réduire la perle de vapeur ; en effet, en augmentant le panache dans la limite des quantités d’eau qu’il est possible de faire pé-
DES MACHINES EOCüMOTlVES.
ncircr dans les cylindres, sans qu’elle soit rejetée à l’exlcricur, on améliore les condilions de liibrificalion.
Supposons, par exemple, une maehine dans des condilions d’admission, de vitesse et d’injection (elle qu’il se vaporise dans ses cylindres 18 kilogrammes d’eau par minute, se décomposant ainsi : 6 kilogrammes pour absorber la chaleur équivalente au travail de résistance, fournissant jusqu’à due concurrence une partie de la vapeur de remplissage, 9 kilogrammes pour compléter ce reinplissagc exigeant en totalité 15 kilogrammes de vapeur, et 3 kilogrammes pour former le panache de vapeur; les tiroirs, lumières, cylindres et pistons auront transmis ou cédé la quantité de chaleur nécessaire pour vaporiser 18 kilogrammes d’eau (plus exactement pour achever la vaporisation des 18 kilogrammes de brouillard aqueux, qui tiennent déjà 10 à 15 pour 100 de vapeur formée à la sortie de la chaudière). — Comme les cylindres restent dans un état moyen de température, cette dépense de chaleur devra trouver sa compensation ; cette compensation est obtenue ainsi : pour 6 kilogrammes, par la chaleur équivalente au travail de résistance, pour 9 -f- 3 = 12 kilogrammes par une condensation équivalente de vapeur venue de la chaudière, se réduisant en eau qui fera retour avec la vapeur refoulée.
Les pièces frottantes auront été constamment placées, pendant le refoulement comme pendant l’aspiration, dans une atmosphère de vapeur chargée d’eau, par conséquent dans d’excellentes conditions de lubrification.
Suivant que le mécanicien augmentera ou diminuera l’injection, entre certaines limites, en vue d’avoir un panache plus ou moins fourni, il se produira plus ou moins de condensation du côté de la chaudière, et les conditions de lubrification seront pius ou moins améliorées.
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La question est à l’étude sur le réseau d’Orléans où l’injeelion d’eau est seule pratiquée depuis le mois de février. — En attendant que celte question de plus ou de moins pour l’injection soit résolue, on laisse aux mécaniciens la faculté de la régler à leur guise ; ils sont intéressés d’une part aux économies de graissage et d’entretien, d’autre part aux économies de combustible, et ils ont accueilli avec faveur ce mode d’injection; ils en suivent donc les effets avec attention.
Jusqu’à présent leur disposition paraît être de se tenir dans un terme moyen. — Voici, en effet, ce que je relève dans une note du 29 juin 1869 émanant du service de la traction de ce réseau : « Les machinistes ne sont pas dans » l’usage de limiter le panache de vapeur qui sort de la » cheminée de manière à éviter la pluie, ni d’injecter l’eau M en excès de manière à obtenir le maximum de lubri- » faction. — Ils règlent l’injection de façon à obtenir une » pluie fine, mais sans arriver aux grosses gouttelettes que » donne le maximum de lubrifaclion.. »
11 y a quelques mécaniciens qui marchent avec injection , de 12 à 15 kilogrammes d’eau; plus généralement, surtout avec les machines puissantes, ils arrivent à 20 ou 25 kilogrammes par minute.
§ 3. — lujeetlon d’eau et de vapeur.
On peut remplacer une certaine quantité de l’eau injectée par de la vapeur prise dans la chaudière. — Toute quantité de vapeur, ainsi substituée à de \’esm,dpoids total égal, diminue la proportion d’eau à vaporiser dans le cylindre, et par suite celle de la vapeur qui se condense du côté de la chaudière en rendant a<jueuse la vapeur refoulée. — L’atmosphère dans laquelle baignent les pièces frottantes,
DKS MACHINES LOCOMOTIVES.
soit du côté de l’aspiration, soit du côté du refoulement, est moins chargée d’eau, et la lubrification est moins parfaite.
Si la proportion de vapeur est peu considérable, le mal n’est pas grand et peut être racheté par quelques avantages accessoires, tels qu’une plus grande division de l’eau en suspension dans la vapeur, une plus grande facilité de règlement des injections; le mécanicien agit surtout dans ce cas sur le robinet de vapeur, lequel ne donne que de faibles variations de débit pour d’assez grandes variations d’ouverture de son orifice.
Dans le cas où la pression est très -basse, en hiver surtout, l’addition de la vapeur peut être nécessaire, pour éviter de faire couler de l’eau presque liquide dans un tuyau dont le diamètre se trouverait exagéré.
’ Il en sera de même pour les petites injections dans un tuyau dont le diamètre aurait été calculé de manière à pouvoir donner de grandes injections à la limite supérieure. — Pour arrivera la perfection, il faudrait un gros tuyau pour les fortes injections et un petit pour les faibles; on peut se dispenser du petit en faisant foisonner, au moyen d’uneaddition de vapeur, le mélange aqueux correspondant à de faibles débits.
Il peut convenir avant la mise en train de purger le tuyau d’injection et de le balayer par un courant de vapeur.
Il est certainement commode de faire intervenir momentanément la vapeur pour la mise en train ou pour l’arrêt, comme je l’ai expliqué dans mon premier mémoire.
Je suis donc bien loin de proscrire absolument l’emploi de la vapeur, et je recommande de mettre un robinet spécial de vapeur à la disposition du mécanicien ; — mais si l’on a recours à la vapeur, son usage doit être limité.
11 est, je crois, inutile de revenir sur les effets nuisibles
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SIARCHE A CONTRE-VAPEUR
d’une injection de vapeur exagérée, au point de vue de l’usure des pièces, du graissage, etc.
§ &. — .%.ppUeatlonit.
L’injection d’eau sans vapeur est appliquée exclusivement sur le réseau d’Orléans depuis cinq mois, et n’a sou levé aucune objection ; à tous les degrés, le personnel de la traction s’en montre de plus en plus satisfait, au point de vue surtout des frottements, de l’usure des pièces et de l’entretien courant.
Le chemin de fer du Midi, après avoir constaté de la manière la plus nette les bons effets de l’injection d’eau seule, aurait dù, pour en faire l’application courante, modifier l'implantation de scs tuyaux qui a été faite en général à un point très-élevé sur la tuyère, et scs robinets dont le débit n’était pas assez modéré ; on a suspendu les essais à échappement ouvert et l’application de l’injection d’eau , seule se poursuit dans le sy.stème de l’échappement fermé, imaginé par M. Laurent, ingénieur en chef de la Compagnie.
En Espagne, les renseignements qui me sont transmis par la direction, à la date du 1'’ juillet 1869, portent que l’emploi exclusif de l’eau est adopté en principe sur le chemin de fer du Nord. — Les chefs mécaniciens ont l’ordre d’y dresser les mécaniciens.
En Autriche, le service du Brenner, dont les pentes sont, de 25 millimètres par mètre , se fait actuellement avec injection d’eau seule (1).
Un renseignement très-instructif, que je dois à l’obli-
(1) Voyci à l’appendice, n° 3".
gcance de M. Forf|uenot, ingénieur en chef du matériel du cliemin de fer de Paris à Orléans, montrera comment la pratique répond, lorsqu’on la consulte sur les résultats obtenus. — C’est le rapport d’un chef machiniste, dans le service duquel se trouve comprise la section de 3Iontluçon à Moulins (réseau d’Orléans', dont le profil comporte des pentes et contre-pentes de 15 millimètres.
« Orléans, 2 jiiillel 1860.
» M. Michelant, ingénieur chef du service actif.
» Pour descendre les pentes, l’injection de » dans l’échappement pendant la marche renversée, pré- » sente plusieurs avantages sur l’injection delà vapeur et » de r eau.
û Par l’injection de l’ea« la pression dans la chau- » dière reste constante, tandis qu’avec la vajieur et l’eau » l’aiguille du manomètre vibre souvent, le giffard se désn amorce, la [ircssion tend à monter et elle monte réellc- » ment lorsque la vitesse est un peu grande.
» Avec l’injection de la vapeur et de l’eau on risque de » we,pas donner assez Æ eau; dans ce cas il y a échauffe- » des surfaces et grippage, la pression monte et les » joints partent. On avait d’ailleurs reconnu, à la suite de la » première pose non symétrique des tuyau.v d’injection, » qu’on risquait le grippage des tiroir et cylindre qui rece- » vaient le moins d’eau.
» Par l’injection de l’eau seule, la machine travaille » comme dans les conditions de marche ordinaire; on n’en- » tend jamais do chocs dans les fonds de cylindres, les sou- » papes de sûreté des cylindres ne s’ouvrent pas, les tiges
(1) Les mais en italiques sont soulignés dans l’original.
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» de pistons et de tiroirs, ainsi que tout le mouvement de » distribution, restent dans les conditions de marche ordi- » naire. Je n’ai pas vu manquer un seul joint de plateaux » de cylindres ou tiroirs depuis l’emploi de l’eau seule.
» Je n’ai pas vu moi-même l’état des surfaces des tables » de distribution ou des cylindres des machines employant » la contre-vapeur avec injection d’eau, mais je n’ai jamais B entendu dire, ni par les chefs de dépôt, ni par les machi- B nistes, qu’il y avait des tables ou des joints de cylindres B qui avaient souffert.
8 En résumé, outre que l’emploi de l’eau seule est plus B simple que l’emploi de la vapeur et de l’eau, il y a aussi B moins de risques d’échauffement et de grippage; les » organes de la machine fatiguent moins, la jtression rcs- B tant sensiblement ta meme, il sort et il doit toujours sortir B par la cheminée (dans l’emploi de l’eau seule) un pa- B nache de vapeur bien humide, qui empêche l’absorption » des gaz chauds et des saletés de la cheminée.
B Votre tout dévoué,
B Le chef machiniste^ Wassner. »
Ce rapport est le premier arrivé parmi ceux que M. Forquenot, à ma prière, a bien voulu faire demander aux agents de son service ; je réunirai dans un appendice les autres documents de même nature que j’ai déjà reçus, et ceux que je recevrai encore (1).
Cette pièce est très-instructive. — Les détails relatifs à la constance de la température et de la pression dans la chaudière sont d’accord avec la cessation de tout accident de chauffage et de grippement des cylindres.
(1) Voyez 5 l’appendice les ii“* 1", 2" cl 4".
§ 5. — AppllcaOou nouvelle des Injections de vapeur et d’eau dans l’échappement.
L’observation des effets remarquables de lubrilicalion obtenus dans la marche à contre-vapeur, avec injection d’eau seule, a conduit les ingénieurs de la Compagnie d’Orléans à une application curieuse, qui n’est encore iju’à l’état d’essai, mais qui aboutira probablement à un résultat d’une certaine utilité pour la pratique.
Lorsqu’un convoi descend une pente, qui se trouve à la limite où la force accélératrice de la gravité fait équilibre aux résistances, le mécanicien tient son régulateur fermé, et place son levier de changement de marche à fond de course de la marche en avant. — L’expérience montre que dans ces conditions il y a usure notable des pièces frottantes, en particulier des segments de pistons, et l’on constate qu’il y a une élévation sensible de la température des cylindres.
Sans chercher à analyser en détail les effets très-complexes de compression, do dilatation, de soulèvement des tiroirs, etc., qui se produisent dans cette circonstance, on voit qu’il y a admission des gaz de la boîte à fumée pendant la période d’avance à l’échappement. — Si le régulateur ferme exactement la communication de la chaudière avec les cylindres, la vapeur qui remplit les tuyaux de prise de vapeur et les boîtes de tiroir disparaît rapidement, soit qu’elle se condense dans ces capacités, soit qu’en se mélangeant incessamment avec les gaz aspirés elle soit expulsée.
Les pistons et les tiroirs se meuvent dans une atmosphère sèche et chaude ; les frottements donnent lieu à un dégagement de chaleur, qui s’ajoute à la chaleur pro-
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duitc par la compression à la fin de réehappement. — Pendant la période d’admission et eelle de détente, les gaz se dilatent, et il se fait un vide partiel, si toutefois le tiroir n’est pas soulevé par la pression atmosphérique qui s’exerce au-dessous dans la lumière d’échappement, et s’il n’est pas pourvu par cette voie indirecte au remplissage du cylindre ; mais cette dilatation, à supposer qu’elle ait lieu, ne paraît pas être un élément de compensation au dégagement de chaleur qui s’est produit.
On peut améliorer cet étal de choses en profitant du tuyau d’injection de la contre-vapeur pour changer la nature de l’atmosphère nuisible, dans laquelle se meuvent les pistons ; il suffit pour cela de faire, au moyen de ce tuyau et des robinets qui le commandent, une injection de vapeur ou d’eau, ou mieux d’eau et de vapeur.
On peut avec la vapeur intercepter la rentrée des gaz de la combustion, avec l’eau lubrifier les pièces frottantes .et absorber la chaleur dégagée par la compression.
L’expérience démontre qu’on est dans d’excellentes conditions de lubrification quand on injecte seulement de l’eau ; mais celle-ci s’accumule dans les cylindres, et si les purgeurs n’étaient pas assez fréquemment ouverts, il pourrait se produire des avaries.
Si l’on injecte de la vapeur seule, les phénomènes d’échauffement et d’usure sont très-sensiblement atténués, mais la vapeur se surchauffe et les frottements se font encore à sec.
Les expériences en cours d'exécution apprendront ce qui convient le mieux ; il est probable que ce sera une injection de vapeur avec une petite quantité d’eau, le mécanicien ayant d’ailleurs le soin d’ouvrir de temps en temps les purgeurs pour évacuer l’eau en excès s’il y a lieu.
