LEUR APPLICATION

Dans les machines à haute pression , la vapeur est produite dans la chaudière à une pression très-élevée. Elle passe ensuite dans le cylindre , où elle agit successivement au-dessus et au-dessous du piston , pour lui imprimer un mouvement alternatif , et ensuite elle s'échappe librement dans l'atmosphère , sans être condensée. Par conséquent, au lieu d'avoir, sur la face opposée à l'action de la vapeur, un vide plus ou moins parfait résultant de la condensation , c'est-à-dire une pression nulle ou presque nulle , il y subsiste toujours , au contraire , la pression atmosphérique , laquelle succède aussitôt à la pression qu'exerçait auparavant la vapeur. Dans ces machines , la pression de l'atmosphère doit donc être comptée parmi les forces qui s'opposent au mouvement du piston ; c'est-à-dire que la quantité représentée par p doit avoir ici une valeur égale à 14.71 livres par pouce carré, en mesures anglaises, et 1.033 kilogramme par centimètre carré , en mesures françaises.

Pour être en état d'appliquer les formules que nous venons de développer , il faut encore connaître les deux quantités f et * ; c'est-à-dire le frottement de la machine fonctionnant sans charge , et son frottement additionnel par unité de la charge r. A cet égard, des expériences spéciales et circonstanciées seraient nécessaires.

Nous avons bien cité , dans le § V du chap. I de cet ouvrage , une expérience faite sur une machine à haute pression servant aux épuisemens, qui a donné, pour le frottement de la machine non chargée, 3.5 livres par pouce carré de la surface du piston ; mais , comme ce résultat comprenait , outre le frottement propre de la machine, celui d'un second arbre d'engrenage et des roues dentées qui servaient à transmettre le mouvement aux pompes d'épuisement , il est évident qu'il était beaucoup trop fort pour être appliqué à la machine seule. À défaut d'expériences spéciales pour les machines à haute pression , nous recourrons donc aux données expérimentales

fournies par les machines de Watt , et dont nous parlerons plus loin. D'après ces données , nous verrons qu'on peut évaluer le frottement de ces machines , y compris le travail de leurs pompes de service , c'est-à-dire des pompes d'air , d'eau froide et d'eau chaude ou d'alimentation , à 0.75 livre par pouce carré de la surface du piston , pour les machines à cylindre de 53 pouces ou 2.75 pieds de diamètre; et que, dans les machines à cylindre différent , ce frottement varie à-peu-près en raison inverse du diamètre du cylindre. Nous admettrons donc ici cette évaluation, en observant toutefois qu'elle doit se trouver un peu trop forte pour les machines à haute pression qui n'ont point de pompe d'air ni d'eau froide.

Ainsi , en rapportant cette mesure au pied carré et représentant d'ailleurs par d le diamètre du cylindre exprimé en pieds , nous aurons

* A rrv aie 2.75 500

On remarquera que, pour une machine à cylindre de 16 pouces de diamètre, cette évaluation donne f= 1.5 livre par pouce carré de la surface du piston, et que cette valeur est précisément celle que l'expérience a fait connaître pour le frottement des machines locomotives de dimensions pareilles , comme on le verra plus loin. Cette observation tend donc encore à confirmer l'évaluation précédente.

Quant à la quantité s , ou au frottement additionnel créé dans la machine par unité de la charge r, jusqu'à ce que nous ayons pu acquérir des notions précises à ce sujet, nous adopterons la valeur fournie par l'expérience dans les machines locomotives, qui sont aussi des machines à haute pression sans détente. Dans celles-ci, nous verrons que le frottement additionnel , créé dans la machine par une résistance quelconque, est 0.14 de cette résistance. Nous prendrons donc encore ici

En outre , dans les machines à haute pression , ainsi que dans toutes celles qui sont rotatives, où le mouvement du piston est arrêté et réglé par une manivelle, l'intervalle laissé entre la fin de la course du piston et le fond du cylindre s'élève, y compris les passages aboutissans à ~ de la longueur de la course ; nous aurons donc en général , pour la liberté du cylindre ,

Enfin, en se reportant à ce que nous avons dit § III, art. II, chap. IV, on verra que, dans les machines à vapeur stationnaires , en raison de l'eau entraînée à l'état liquide et mélangée avec la vapeur, la vaporisation effective ou la valeur de S, à introduire dans les formules, peut être portée à 0.95 de la vaporisation brute observée dans la chaudière.

En introduisant donc ces valeurs dans les formules , hors celles de f, j et S , qui ne sont qu'approximatives , et en y mettant en outre , pour les constantes m et », les valeurs qui conviennent aux machines sans condensation , savoir, en mesures

anglaises et quand la pression est exprimée en livres par pied carré ,

on obtient les formules numériques suivantes , pour le calcul des machines dont nous nous occupons.

Formules pratiques pour les machines à haute pression ( mesures anglaises ).

CAS GÉNÉRAL

a ' ^^TTT+ÏYrTf • • • • • • Vitesse du piston , en pieds, par

* • ' r/ minute.

ar = *,1 J0,930 fjqpjjj - ^p (2738 + /). Charge utile du piston, en livres. c 2738 + (l + 9) r + f m #

w i 140 980 vaporisation effcctive,enpieds cubes,

' ' d'eau par minute.

E.u.=a™. . . . , Effet utile, en livres élevées à 1 pied

par minute.

» • arv

— 33ÔÔ5 è • Effet utile , en chevaux.

.co.=— . Effet utile de d Jb. de combustible ,

en livres élevées k i pied.

fp,e S" Effet utile de i pied cube d'eau , en

livres élevées à i pied.

Q.co.pr.lch.=__ Quantité de combustible, en livres

qui produit l'effet d'un cheval. * 33000 S Q. e. pp. i ch. = ___ Quantité d'eau , en pieds cubes , qui

produit l'effet d'un cheval.

E.u.ch. P r.ilb.co.= g ^ Effet, en chevaux, produit par livre

de combustible.

E.u.ch.p.l P .e.=^^ Eff et «n i chevaux , produit par pied

cube d'eau vaporisée.

CAS DU MAXIMUM D'EFFET UTILE

~" a ' 620+P Vitesse du piston, en pieds, par

T minute. ' r

^"rp^ - ^ -2118 ) Charge utile du piston, en livres.

fi , eao+p

-4,140,930 Vaporisation effcctive,en pieds cubes

d'eau par minute. *

E.n.max.=«V. Effet uUIe, en livres élevées à 1 pied

par minute.

192 i CHAPITRE CINQUIÈME.

Nous n'ajouterons pas , aux formules du cas de maximum d'effet utile , les diverses expressions de cet effet utile, en chevaux , en poids de combustible , etc. , parce que les formules qui les donnent sont les mêmes que celles du cas général.

Pour montrer une application de ces formules , supposons qu'il s'agisse de déterminer les effets que Ton peut attendre d'une machine de ce système déjà construite , et dont les dimensions et autres données soient connues, savoir :

Cylindre, 16 pouces de diamètre; ouo<= 1.3963 pied carré. Course du piston , 3 pieds ; ou l = 3 pieds.

Vaporisation effective, 0.378 pied cube par minute; ou S = 0.378 pied cube. Consommation decombustible dans le même temps, 3.189 livres de houille ; ouN=3.189 lb. Pression absolue dans la chaudière , 54.50 lbs par pouce carré; ou P = 7848 lbs par pied carré.

En faisant le calcul avec ces données , on obtient les résultats suivans , pour les effets que produira cette machine , avec la vaporisation ci-dessus , en marchant à sa vitesse de maximum d'effet utile et aux vitesses respectives de 1 70 et 250 pieds par minute :

Maximum d'effet utile.

ar = 1876 ... 4460 ... 6754

E. u. ch = 14.21 ... 22.98 ... 27.10

E.u. 1 lb. co. . . . = 147.070 ... 237,760 •.. 280,430

E.u. lp. e = 1,240,740 ... 2,005,800 ... 2,365,800

Q. co. pr. 1 ch. . . = 0.224 ... 0.139 ... 0.118

Q.e.pr. Ich. . . . =0.027 ... 0.016 ... 0.014

E. u. ch. pr. 1 lb. co. = 4.46 . . . 7.21 . . . 8.50

E. u. ch. pr. 1 p. e. = 37.60 * ... 60.78 ... 71.69

Ces effets seront ceux de la machine , si l'on maintient le feu assez activement dans

la chaudière pour produire une vaporisation effective de 0.378 pied cube par minute. Mais s'il arrive qu'on veuille mettre en mouvement une moindre charge , sans cependant augmenter la vitesse du travail , il est évident qu'on pourra se contenter d'une moindre vaporisation dans la chaudière, ou pousser le feu moins activement. Supposons donc que, dans un cas semblable, la vaporisation ait été réduite à 0.292 pied cube d'eau par minute, la consommation correspondante de combustible se trouvant en même temps de 2.221 lbs de houille par minute, et la pression absolue dans la chaudière de 55.13 lbs pqr pouce carré, alors les effets produits par la machine, à la vitesse' du maximum d'effet utile, et aux vitesses respectives de 170 et 250 pieds par minute, deviendront:

Maximum d'effet utile.

ar . . = 627 ... 2623 . . . 6865

E. u.ch = 4.75 ... 13.51 ... 21.05

E. u. 1 lb. co. . . . = 70,582 ... 200,780 ... 312,830

Tels seront donc les effets produits par la machine. Ainsi Ton voit que, selon la vitesse du mouvement et la vaporisation de la chaudière , il pourra arriver que la eharge que peut supporter le piston se réduise de 34 livres à 3 livres environ par pouce carré; tandis que, si Ton voulait calculer cette machine par le procédé ordinaire , c'est-à-dire en appliquant & la pression de la vapeur dans là chaudière, un coefficient constant, le coefficient 0.60 par exemple, pour en déduire la charge utile de la machine, cette charge, dans tous les cas indistinctement, même aux plus grandes vitesses, et avec une vaporisation presque nulle, serait toujours de

(54.50 — 14.71) X 0.60 = 23.88 livres par pouce carré.

Et, de plus, reflet utile, ou la force en chevaux, étant le produit de l'effort par la vitesse, serait d'autant plus grand que la vitesse du mouvement serait plus considérable.

La machine à haute pression que nous venons de calculer est celle de la distribution publique des eaux de la ville de Brighton, en Angleterre, et les effets quelle produit sont une pleine confirmation des résultats que nous venons d'obtenir. En effet, cette machine a un cylindre de 16 pouces de diamètre et une lourse du piston de 3 pieds, et, mise en expérience par nous avec tout le soin dont nous étions capable, elle a produit les résultats suivans.

Le 19 novembre 1841, la machine, manœuvrant 6 pompes d'épuisement, qui forment sa charge complète, a travaillé pendant 6 h Om. La vaporisation dans la chaudière, soigneusement mesurée dans le réservoir d'alimentation , a été de 143.285 pieds cubes d'eau , en tout, ce qui fait 0.398 pied cube par minute; mais retranchant les 0.05 de ce nombre pour tenir compte de l'eau enlevée à l'état liquide avec la vapeur, la vaporisation effective a été de 0.378 pied cube par minute. La consommation de houille , pesée à mesure du besoin, a été de 1148 livres ou 3.189 livres par minute. Dans ces conditions la machine a pris une vitesse régulière de 56.11 courses du piston, ou 168.33 pieds par minute; et la charge totale de la machine, mesurée par expérience, comme nous l'avons expliqué chap. IV , art. III, $ III , en essayant la moindre pression avec laquelle on pouvait maintenir la machine en mouvement , s'est trouvée être de 29.05 livres par pouce carré de la surface du piston.

Or , ces résultats sont parfaitement d'accord avec ceux qui sont donnés par le calcul précédent ; car on voit qu'avec cette vaporisation , la charge effective dont était capable la machine, à la vitesse de 170 pieds par minute, était de 22.18 livres par pouce carré ; et, en ajoutant à ce nombre 1 .50 livre pour le frottement propre de la machine, et 22.18 X0»14 = 5.11 livres, pour le frottement additionnel dû à là charge de 22.18 livres, on trouve définitivement pour la charge totale de la machine 26.79 livres par pouce carré, qui ne diffère que de 2 livres environ du nombre résultant de l'expérience. Et même, si Ton veut être plus précis, et chercher le résultat delà formule, non pas pour la vitesse de 170 pieds par minute, mais pour celle de 168.33 pieds, qui était la vitesse réelle, on trouve que la charge totale de la machine devait être alors de 27.22 livres par pouce carré; et ce nombre ne diffère que de 1.83 Ib du nombre donné par l'observation.

La seconde expérience, que nous avons faite sur la même machine, offre une nouvelle confirmation des formules présentées. Cette expérience a donné les résultats suivans.

Le 23 novembre 1841 , la même machine, mise en expérience avec trois pompes d'épuisement seulement , a travaillé pendant 4ù50 m . La vaporisation mesurée dans le réservoir d'alimentation a été de 89.052 pieds cubes d'eau , ce qui fait 0.307 pied cube par minute pour la vaporisation brute, et 0.292 pied cube pour la vaporisation effective; la consommation de houille a été de 644 Ibs, ou 2.221 lbs par minute. Dans ces conditions, la machine a pris une vitesse régulière de 57.30 courses du piston, ou 171.9 pieds par minute ; et la charge totale de la machine, mesurée directement, s'est trouvée être de 15.50 livres par pouce carré de la surface du piston.

Or, on trouvera que les nombres de la seconde série des résultats présentés plus haut s'accordent avec celte expérience , et si Ton cherche plus particulièrement la charge que devait être en état de mouvoir la machine à la vitesse de 171.9 pieds par minute, on trouvera que cette charge était de 12.70 livres par pource carré ; et en y ajoutant pour le frottement propre de la machine 1.50 lb, et, pour le frottement additionnel, 12.70 X 0-14 = 1.78, on trouve 15.90 lbs par pouce carré, qui ne diffère que de 0.48 de la charge totale 15.50 obtenue par l'expérience. Il y a donc, autant que possible, coïncidence entre les résultats du calcul et ceux de l'observation.

A l'égard de la charge totale de la machine, savoir : 29.05 ou 15.50 livres par pouce carré du piston , dans les deux cas ci-dessus , nous devons ajouter , pour ceux qui ne connaissent pas la distribution d'eau de Brighton , que cette charge était produite : 1°. par le poids de l'eau pompée, qui, d'après la hauteur du réservoir et le niveau du puits, les jours mentionnés, formait une colonne de 140.07 pieds de hauteur sur une base de 2.2294 pieds carrés pour les six pompes, et 1.0472 pied carré pour les trois pompes de 8 pouces , mise en mouvement au quart de la vitesse du piston à vapeur; 2*. par la force nécessaire pour transporter cette eau à la distance horizontale de 4650 pieds dans un tuyau de 1 pied de diamètre ; 3°. par le frotte*

MACQINES A HAUTE PRESSION. 195

ment propre de la machine; et 4°. enfin, par le frottement des arbres d'engrenage , des roues dentées et des pompes d'épuisement.

Pour avoir les mêmes formules numériques, en mesures françaises, il suffit d observer qu'alors on aura pour les constantes :

Pression atmosphérique, # = 40350 kilogrammes par mètre carré.

Frottement de la machine sans charge, exprimé en kilogrammes par mètre carré, pour un

cylindre dont le diamètre d est exprimé en mètres//= -j-, *

Frottement additionnel de la machine par unité de la charge, & = 0.14.

lA-c Rapport de la dépense de vapeur au volume décrit par le piston, ~— = 1.05.

Constantes du volume spécifique de la vapeur ,

Par conséquent, en effectuant, au moyen de ces valeurs, toutes les opérations possibles dans les équations, on trouvera pour les formules numériques propres au calcul des machines dont nous nous occupons , et en mesures françaises :

Formules pratiques pour les machines à haute pression

(mesures françaises) :

CAS GÉNÉRAL

t>=~ # 5 , — — . . . . Vitesse du piston, en mètres par

a •l3355 + (l+*)r4./> minute.

«r = 20,220,950 . * — -£-. / 13355 »fr f). Charge utile du piston , en kilo-

(i+t)v 1+tf grammes.

S==ra P i ^ 5 + ( J+ <?)r+/> > Vaporisation effective, en mètres

20,220,930 cubes d'eau , par minute.

E.u. =aro. . . . Effet utile , en kilogrammes élevés à

i mètre par minute.

E.u.ch.=^ôjj , Effet utile, en chevaux.

E u E. u. 1k. co. = — -' Effet utile de 1 kilogramme de combustible, en kil s . élevés & i mètre.

E.u E. u. 1 m. c. =— ^-1 Effet utile de 1 mètre cube d'eau ,

en kilogr. élevés à un mètre.

£500 N Q.co.pp.lch.==-g- Quantité de combustible, en kilog».,

qui produit l'effet d'un cheval.

4300 S Q.e. pr.lch.=r-^— Quantité d'eau, en mètres cubes, qui

produit l'effet d'un cheval.

E. o. cb.pr. I k. co. =r

E.u.ch. pr.lm.e. =

Effet utile , en chevaux , produit par kilogramme de combustible.

Effet utile , en chevaux, produit par mètre d'eau vaporisée.

CAS DU MAXIMUM D EFFET UTILE

Vitesse du piston , en mètres, par minute.

(P—/ 1 — 10333) Charge utile du piston, en kilogrammes*

3020 + P S = m? __ aan V.. n Vaporisation effective, en mètres

20 ' 220 ' 1,5 ° cubes d'eau , par minute.

E. u. mai. = or V Effet utile , en kilogrammes élevés à

1 mètre par minute.

Enfin, si Ton veut faire l'application de ces formules aux effets de la même machine , dont les dimensions ont été données plus haut en mesures anglaises , il suffit de rapporter toutes les mesures aux unités françaises ; ce qui donne d'abord :

Diamètre du cylindre, 40. 64 centimètres; ou a= 0.12972 mètre carré. Course du piston , 0.914 mètre ; ou 1 = 0.914.

Vaporisation effective , 0.010702 mètre cube par minute ; ou S = 0.010702. Consommation de combustible dans le même temps , i .4459 kilogramme ; ou N = 1 .4459. Pression absolue dans la chaudière , 3.8301 kilogrammes par centimètre carré ; ou P == 38301 kilogrammes par mètre carré. .

En fesant le calcul avec ces élémens , on obtient les résultats suivans , pour les effets que produira cette machine , avec la vaporisation ci-dessus , en marchant à sa vitesse de maximum d'effet utile , et aux vitesses respectives de 76.20 et SI .80 mètres par minute. ...

ar ==852

E. u. ch. ...... = 14.23

E. u. 1 k. co. . . . = 44,900

Q. co. pr. 1 ch. . , = 0.10156 Q. e. pr. 1 ch. . . . = 0.00075

E. u. ch. pr. 1 k. co.= 9.83 E. u. ch. pr. 1 m. e. = 1330

Maximum d'effet utile.

ARTICLE I

DESCRIPTION DE LA MACHINE

Les machines locomotives , en usage sur les chemins de fer, sont des machines à haute pression , sans détente et sans condensation, construites sur les mêmes principes que les précédentes, pour l'application de la vapeur comme force motrice; mais seulement elles sont mobiles sur des roues, et il y a deux cylindres au lieu d'un. La vapeur est de même formée à une pression très-élevée dans la chaudière; elle passe ensuite dans les cylindres , où elle est admise sans interruption pendant toute la durée de la course du piston, et enfin elle s'échappe dans l'atmosphère, sans avoir été condensée.

La vapeur une fois parvenue dans le cylindre y agit successivement d'un côté et de l'autre du piston , et lui communique ainsi un mouvement rectiligne alternatif qui, par l'intermédiaire d'une manivelle , se change en un mouvement de rotation appliqué aux roues qui soutiennent la machine; et l'effet de cette rotation est de porter en avant la machine elle-même, suivie de tout son train.

La pi. XIII représente une machine locomotive sortie des ateliers du célèbre constructeur anglais M. Robert Slephenson. Les parties principales de la machine sont: le foyer et la chaudière, qui constituent les moyens de former la vapeur; les tiroirs et les cylindres, qui servent à mettre cette vapeur en action; et enfin, les manivelles et les roues , par le moyen desquelles le mouvement des pistons produit la progression de la machine elle-même. Nous décrirons successivement ces diverses parties, puis nous passerons à quelques autres moins importantes.

En jetant un coup d'œil sur la fig. 75, on y voit le corps de la machine, composé de trois compartimens distincts. Celui d'arrière , A , qui a la forme d'un carré surmonté d'un dôme arrondi , se nomme la boite à foyer. Il fait partie de la chaudière et contient de l'eau ; mais , dans cette eau , est placé le foyer , c'est-à-dire uneboite intérieure A 1 , dans laquelle est le feu destiné k produire la vaporisation.

Le compartiment du milieu, GC , est cylindrique; il forme la chaudière proprement dite et contient aussi de l'eau qui communique avec celle que renferme la boite à foyer. Enfin , le compartiment d'avant de la machine, B , est ce qu'on nomme la boite à fumée; il est surmonté de la cheminée et contient les tiroirs et les cylindres. Sa forme est analogue à celle de la boite à foyer. En dessous du corps de chaudière sont les pièces qui servent à utiliser l'action de la vapeur pour la progression de la machine.

Ainsi qu'on vient de le dire, le foyer A 1 est placé dans l'intérieur du premier compartiment de la chaudière , et il est environné d'eau , qui remplit le double fond aa , ou l'intervalle des deux boites. Au fond est la grille a' , sur laquelle est placé le coke, et qui laisse passer l'air nécessaire à la combustion. Celte grille est composée de barres séparées qu'on peut , au moyen d'un crochet, faire tomber dessus leurs supports, ce qui permet d'éteindre le feu instantanément. La flamme, après avoir frappé le sommet de la boite à feu , se divise dans tous les petits tubes a" , a" , qui lui font traverser le deuxième compartiment de la chaudière et la conduisent définitivement à la botte à fumée , d'où elle s'échappe dans la cheminée B\ La porte du foyer est en a"', et A" représente la plaque de support sur laquelle se tient le machiniste. Immédiatement derrière la machine suit son fourgon d'approvisionnement, qui porte l'eau nécessaire à l'alimentation de la chaudière , et le coke requis pour les besoins du foyer ; ce fourgon est attaché à la machine par une tige de jonction qui se prête aux oscillations du mouvement. Enfin , pour que la chaudière soit protégée contre tout refroidissement extérieur , elle est recouverte d'une seconde enveloppe formée de douelles de bois appliquées pardessus le métal , mais laissant un petit intervalle entre elles et le métal.

L'eau de la chaudière prend son niveau dans les deux compartimens qu'elle occupe , et ce niveau ne doit jamais laisser à découvert , ni le sommet de la boite à feu , ni les petits tubes qui sont parcourus par la flamme. A cet effet , il y a , sur le côté de la chaudière , trois petits robinets-jauge , comme ceux dont nous avons parlé § II , chap. III , et , en outre , un niveau à tube de verre semblable à celui de la fig. 4, pi. I. Ces petits appareils ne sont pas vus sur la fig. 75.

La vapeur , en se dégageant du liquide , remplit le dôme à vapeur AA , où elle s'amasse à mesure de sa formation ; mais elle ne peut y acquérir une force élastique trop considérable , parce qu'il y a , sur la chaudière , deux soupapes de sûreté , qui lui donnent issue dans l'atmosphère, dès que sa pression dépasse une limite fixée. La première de ces deux soupapes, cl, est à levier et balance, comme celle qui a été représentée dans les fig. 2 et 5 , pi. I ; l'autre est souvent formée de plusieurs ressorts en lames, arc-boutés les uns contre. les autres et contenus dans une boite fermée, pour que le machiniste ne puisse y avoir accès et la surcharger. Sur le dôme A , ou sur le bord de la soupape d, est un sifflet d'avertissement d» , qui sert à annoncer l'approche de la machine ; il consiste en un petit robinet

qui laisse sortir la vapeur contre le tranchant d'une espèce de gobelet renversé, où elle produit un sifflement qu'on entend de fort loin.

Dans le dôme à vapeur A est placé le tuyau S , où se fait la prise de vapeur, et qu'on élève à dessein , pour éviter que l'eau de la chaudière n'y soit jetée pendant les oscillations de la machine. La vapeur pénètre donc d'abord dans le tuyau S, et de là dans le tube S' ; puis, dès qu'en tournant la poignée r on ouvre le ré* gulateur r T qui intercepte le passage, elle se précipite dans le tube à vapeur S 1T , qu'elle suit dans toute sa longueur. Le régulateur r 1 est semblable à celui que nous avons décrit dans le § III du chap. III , c'est-à-dire qu'il consiste en deux disques concentriques appliqués l'un sur l'autre et percés chacun d'une ouverture angulaire. Lorsqu'en tournant la poignée r 1 on fait coïncider les deux ouvertures, la vapeur traverse librement le passage; mais si la partie pleine du disque mobile recouvre, au contraire, l'ouverture du disque fixe , le passage se trouve intercepté. La vapeur , après avoir traversé le régulateur, suit le tube S 1 ', puis le tube S m ; celui-ci la conduit à la boite* à vapeur m (fîg. 75 et 76), qu'elle remplit entièrement.

Ici la vapeur est distribuée en avant et en arrière de chaque piston, au moyen' d'un tiroir /*, semblable à celui que nous avons décrit (fig. 32 et 33 , pi. V) , et dont la tige est mise en mouvement par un excentrique fixé sur l'essieu coudé de la machine, comme nous le dirons un peu plus loin. Sur la figure, la direction des flèches indique la circulation de la vapeur ; dans la position où est représenté le tiroir du cylindre de gauche de la machine , la vapeur pénètre en avant du piston par le port à vapeur 1 (fig. 75 et 76), et le fait, par conséquent , reculer dans le cylindre. Dans l'instant suivant, le tiroir changera de place, conduira la vapeur de la chaudière en arrière du piston , et , par conséquent , poussera celui-ci en avant , et ainsi de suite alternativement. Le jeu du tiroir, à mesure qu'il produit l'arrivée de la vapeur de la chaudière sur une face du piston, permet aussi, sur la face opposée, l'échappement de la vapeur qui a servi à opérer la course précédente; c'est ce qu'on reconnaît sur la figure. La vapeur contenue derrière le piston sort par le port de derrière 2 , arrive sous le tiroir et s'échappe par le passage e , dont on voit l'entrée figurée sous le tiroir , et qui la conduit au tube d eduction E.

C'est d'ailleurs une particularité de la machine locomotive que ce tube d'éduction ne conduit pas la vapeur au dehors même de la machine, mais seulement dans la cheminée , où il se termine par un orifice rétréci qu'on nomme la tuyère , et dont l'action est semblable à celle d'un soufflet pour attiser le feu. En effet, la vapeur, en s'élançant en jets par l'orifice de la tuyère , produit derrière elle un vide qui se communique à l'instant au foyer, par les petits tubes a" a"; et, par conséquent, une masse d'air se précipite aussitôt de dessous la grille au travers du combustible, pour remplir l'espace où le vide avait été fait. C'est à cet ingénieux moyen , combiné avec l'emploi de la chaudière multitubulaire , qu'on doit l'énorme production de vapeur qui rend les locomotives capables d'atteindre de si grandes vitesses; et nous

citerons avec plaisir que la chaudière à tubes a été inventée par M. Seguin d'Annenay, dont le brevet est du 22 février 1828, et que la première application de la vapeur perdue au tirage du feu a été faite à Paris, en 1826, par M. Pelletan, dans des expériences publiques sur un bateau à vapeur, en présence du préfet de la Seine; de sorte que ces deux inventions sont dues à des Français.

Il "y a deux cylindres à vapeur G, G, qui sont placés horizontalement, et l'un à côté de l'autre , dans la boite à fumée , où ils sont protégés contre les effets condensateurs de l'air froid, par le passage de la flamme et les parois de la boite ellemême. Le piston de chacun de ces deux cylindres agit sur une manivelle fixée sur l'essieu des deux roues motrices de la machine , et tend à lui imprimer un mouvement de rotalion ; mais comme il y a , dans le jeu d'une manivelle , deux points ou la force motrice est sans effet pour continuer le mouvement, ce qui a lieu quand le rayon de la manivelle se trouve dans la direction du mouvement alternatif, on place à angle droit, l'une sur l'autre, les deux manivelles correspondantes aux deux pistons. Par ce moyen, l'une est toujours dans son maximum d'action quand l'autre est sans effet , et le mouvement se continue sans variation sensible.

Cette position relative des deux manivelles de l'essieu, à angle droit l'une sur l'autre, se reconnaît dans la fig, 76; car on y voit que, tandis que la manivelle de gauche est en k , dans la direction verticale , où elle reçoit tout l'effort du piston II par l'intermédiaire de la tige A et de la bielle A' , l'autre manivelle se trouve en & f , c'est-à-dire dans la direction même du piston, qui devrait lui communiquer un mouvement de rotation. On voit en même temps, d'après la situation de la manivelle g } , que le second piston se trouve au fond de son cylindre, ou au bout de sa course , dans l'instant que le piston H est au milieu de la sienne ; et cette alternation des deux pistons et des deux manivelles se continue pendant tout le mouvement. Sur la fig. 75, on ne voit que la tige A et la bielle A 1 du piston du cylindre de gauche , ainsi que le tiroir du même cylindre , parce que la coupe longitudinale que cette figure représente est faite le long du milieu de la machine. Pour assurer le mouvement des pistons dans la direction précise de l'axe des cylindres , la tige de chaque piston est munie d'une petite traverse ou navette qui glisse à frottement doux dans une coulisse formée de deux guides parallèles A" , A" .

L'essieu coudé K de la machine étant donc mis en mouvement , comme on vient de le dire, les deux roues , qui ne font qu'un avec lui, tournent en même temps, et, par conséquent , la machine exécute sa progression de la même manière qu'une voiture qu'on ferait avancer en poussant aux rais. La machine est portée sur six roues , et quelquefois sur quatre j mais de ces roues , il n'y a ordinairement que les roues motrices qui soient mises en action par les pistons, de sorte que les autres ne servent qu'à soutenir le poids de la machine. Cependant , comme le seul point d'appuf des roues motrice» pour pousser la machine en avant se trouve dans leur adhérence sur les rails , adhérence qui dépend du poids qu'elles supportent , et qui fait

MACHINES LOCOMOTIVES. 20 f

que ces roues avancent au lieu de glisser, il pourrait arriver, pour les machines qui éoivent tirer des charges considérables, que l'adhérence de deux roues fut insuffisante. Alors , on lie ensemble les trois roues de chaque côté de la machine , ou seulement deux d'entre elles , de manière que les roues motrices ne puissent tourner sans les entraîner également. Par ce moyen , la machine adhère par toutes ses roues et , par conséquent y elle devient capable de tirer des charges beaucoup plus fortes. Quand les roues de la machine sont égales , cette liaison s'établit par des bielles métalliques I, l (fig. 76) placées en-dehors et attachées aux roues par des boutons à manivelle , comme on le voit sur la figure ; mais , quand les roues de la machine sont inégales , on peut encore rendre leur mouvement solidaire l'un dé l'autre , au moyen d'un galet qu'on fait descendre entre les roues voisines par un levier de pression, et qui , en frottant sur leurs deux circonférences, fait que l'une ne peut tourner sans entraîner l'autre avec elle. Enfin , pour que les roues de la machine ne puissent tomber de dessus les rails, qui sont, comme on sait, des barres de fer saillantes au-dessus du sol , ces roues sont garnies , en-dedans , d'un rebord qui les arrête dans tout mouvement latéral sur la voie.

Ce qui précède fait comprendre comment la vapeur se forme dans la chaudière , comment elle vient agir sur les pistons , et comment Faction de ces pistons se transmet aux roues. Il reste encore & expliquer par quels moyens les tiroirs sont mis en mouvement , comment on peut à son gré faire reculer la machine au lieu de la faire avancer, et, enfin, comment celte machine peut d'elle-même alimenter sa chaudière. Ce sont les trois points dont nous allons maintenant nous occuper.

Le tiroir de chaque cylindre est mis en mouvement par un excentrique fixé sur l'axe des roues motrices de la machine , à la manière ordinaire dans presque toutes les machines à vapeur. Seulement , comme, dans les machines locomotives, il font un second excentrique pour faire marcher au besoin la maehine en arrière , if en résulte qu'il faut deux excentriques pour chaque cylindre , et c'est ce qu'on voit représenté sur la fig. 76. I et • sont les excentriques pour le cylindre de gauche , et F et î 1 les excentriques pour le cylindre de droite. Les deux excentriques I et V servent pour le mouvement en arrière , et les excentriques i et ? pour le mouvement en avant, e'est-à-dtre que, selon ceux de ces excentriques qui sont embrayés sur la tige des tiroirs , le mouvement de la machine s'exécute soit en arrière , soit en avant, comme nous allons l'expliquer.

La fig. 75 fait voir la situation et Faction des deux excentriques pour le cylindre de gauehe de la machine. La tige V du tiroir porte à son extrémité une pièce à double fourche mnMN, qui se meut avec cette tige. Au fond de la fourche supérieure est une encoche o destinée à recevoir le boulon d'embrayage de l'excentrique i , pour aller eu avant , et au fond de la fourche inférieure est une autre encoche pour recevoir le boulon d'embrayage de l'excentrique I pour aller en arrière. Sur la figure, c'est l'excentrique I qui est embrayé , c'est-à-dire qui est engagé dans son encoche

et ainsi la machine est disposée pour la marche en arriére. En effet, en examinant la position qui en résulte pour le tiroir t , dans les deux fig. 75 et 76, on reconnaîtra que ce tiroir est tiré en arrière ; d'où résulte que la vapeur pénètre dans le cylindre en avant du piston ou par le port 1. Le piston recule donc dans le cylindre, et, par conséquent, d'après la position de la manivelle correspondante g, qui se trouve à peu près verticale et au-dessus de l'essieu , on reconnaîtra que cette action fait reculer la machine , ou tourner les roues motrices dans la direction de la flèche.

Pour embrayer l'autre excentrique ou produire la marche en avant , il y a , sur le côté de la boite à feu et à portée du machiniste , un grand levier Q qu'on voit représenté sur la fig. 75. En tirant en arrière ce levier, dont le point fixe est en Q' , le mouvement se communique à la tige qq et~ r de là au levier ooudé g'arç 1 , qui fait baisser la tige de suspension g". Par conséquent, le boulon d'embrayage sort de son encoche et se désembraye , tandis que le boulon o T descend entre les deux branches m et n de la fourche supérieure, pour s'embrayer dans l'encoche o; et dans cette action il pousse la branche n, et par suite la tigei', et , enfin , le tiroir t , vers l'avant de la machine , d'où résulte que le tiroir découvre désormais le port 2 et recouvre au contraire le port 1 , ainsi que le port d'éduction. La vapeur pénètre donc alors en arrière du piston , de sorte que celui-ci se meut en avant dans le cylindre, et, .par conséquent, en agissant sur la manivelle g , qui est sensiblement verticale et au-dessus de l'essieu , il fait mouvoir en avant les roues motrices de la machine. Il est entendu que, dans le même instant et au moyen du même levier Q, des effets semblables se produisent sur les deux excentriques de l'autre cylindre, comme le montre la fig. 76. Ainsi, on voit qu'en tirant en arrière ou en poussant en avant le levier Q , le machiniste peut embrayer l'un ou l'autre excentrique et faire à son gré marcher la machine en avant ou en arrière; mais que, s'il place ce levier dans la position verticale, aucun des deux excentriques ne se trouve embrayé et que , par conséquent , les tiroirs cessent de se mouvoir ou de distribuer la vapeur dans les cylindres.

Sur la fig. 76, on distingue clairement la disposition des excentriques et des leviers, qui y sont marqués par les mêmes lettres que sur la figure précédente. On y voit de plus que les excentriques se terminent par une double pointe , dans laquelle passent les branches m et M, et qui leur sert de guide, pour que les boulons d'embrayage descendent exactement dans leur encoche. De même les tiroirs sont guidés dans la direction précise de leur mouvement par les deux prolongemens de leur tige, savoir, un prolongement l", qui sort en avant de la boite & vapeur, en traversant une boite à étoupes , et une autre t m , qui passe dans une ouverture faite à la traverse T.

En examinant la fig. 75 , on doit observer que , lorsque les excentriques sont embrayés, ils sont sensiblement à angle droit sur la manivelle correspondante de l'essieu. Le but de cette disposition se comprend aisément. En effet, on sait que

le mouvement de va et vient , communiqué par le moyen d'un excentrique , est trèsinégal , c'est-à-dire qu'il est très-rapide quand le rayon de l'excentrique est à angle droit sur la direction de sa tige , et très-lent quand le rayon arrive dans la direction de cette tige. D'après la perpendicularité de l'excentrique sur la manivelle de l'essieu, il s'ensuit donc que le tiroir prend un mouvement très-rapide précisément quand le piston est au fond dn cylindre , c'est-à-dire quand il convient de changer rapidement les passages de la vapeur, et un mouvement très-lent, au contraire, quand le piston est au milieu de sa course et qu'il est nécessaire de maintenir les passages ouverts sans diminution sensible. Ainsi , la disposition dont il s'agit est précisément celle qui convient à l'action de la machine.

La chaudière est alimentée par deux pompes aspirantes et foulantes semblables & celle de la fig. 55, pi. F, et qui sont placées horizontalement en-dessous de la machine; on les voit en plan dans la fig. 76 et en coupe dans la fig. 75. p est le corps de pompe ; il est parcouru par un plongeur p 1 , qui est creux et au fond duquel est attachée la tigep", qui met la pompe en action. Cette tige est elle-même liée à l'excentrique de recul I de la machine, mais du côté opposé au tiroir; de sorte que, lorsque la machine marche en arrière , c'est le même excentrique qui conduit à la fois le tiroir de distribution de la vapeur et la pompe d'alimentation de la chaudière. Lorsque la machine marche au contraire en avant, ce sont les excentriques i, ? qui conduisent les tiroirs , et les deux autres excentriques I et Y qui conduisent les pompes. La chapelle de la pompe se voit en u dans les deux figures. Lorsque, par la rotation de l'axe des roues motrices et par l'effet de l'excentrique , le plongeur p 1 se retire du corps de pompe, il y produit un vide qui soulève la soupape inférieure de la chapelle , et aspire par conséquent l'eau contenue dans le tuyau de succion u 1 , qui conduit au réservoir d'eau du tender ou fourgon d'approvisionnement. Cette eau remplit donc le corps de pompe et le tuyau aboutissant u". Ensuite, quand le plongeur rentre dans le corps de pompe , il comprime l'eau qui y a été aspiré auparavant, ferme la soupape inférieure de la chapelle, ouvre la soupape supérieure, et fait passer l'eau dans le tuyau t* m t* m qui la conduit à l'extrémité antérieure de la chaudière , où elle pénètre par l'orifice U. Nous avons dit qu'il y a deux pompes d'alimentation fixées à la machine; l'une des deux suffit pour l'entretien de la chaudière, mais on en met deux pour qu'elles puissent se suppléer au besoin. De même, toutes deux sont toujours en action pendant le mouvement de la machine , mais elles ne peuvent faire passer de l'eau dans la chaudière que lorsque le machiniste ouvre un robinet placé sur le tuyau qui conduit de la machine au réservoir d'eau du tender. Ce robinet n'est pas représenté sur la figure.

La machine entière est solidement attachée par de fortes pattes sur un grand châssis carré YY, et celui-ci repose sur les essieux au moyen de ressorts portant sur des coussinets y , y. Ainsi la presque totalité de l'appareil se trouve suspendue , et l'on peut , en relevant plus ou moins les ressorts au moyen des écrous dont il sont

munis , distribuer le poids de la machine sur les six roues, dans ta proportion qu'on juge convenable. Enfin , pour qu'on puisse facilement examiner 1 état des tubes dé la chaudière, de la tuyère, des cylindres et des tiroirs, la partie antérieure de la boite à fumée n'est fermée que par une porte zz , qu'on peut facilement enlever en tournant seulement quelques verrous ou quelques écrous.

La machine que nous venons de décrire est destinée à tirer des marchandises, ou des charges considérables, à des vitesses modérées. Pour lui faire tirer des charges légères avec une grande vitesse, c'est-à-dire des trains de voyageurs, il faudrait lui donner des roues motrices d'un diamètre plus considérable , parce qu'à chaque double coup de piston la roue fait un tour, et qu'ainsi la machine parcourrait un plus grand espace sans accroître la vitesse du piston. De plus , il faudrait supprimer la liaison des roues motrices aux roues de derrière de la machine , parce que l'adhérence d'une paire de roues serait alors suffisante pour tirer la charge. La simplicité extraordinaire qu'on ne manquera pas de remarquer dans cette machine tient à divers perfectionnemens qui sont particuliers à M. Robert Stephenson, et qu'il a récemment introduits dans la construction des locomotives. Les principaux sont: la position verticale des tiroirs entre les deux cylindres , ce qui permet de les faire mouvoir directement par les excentriques, sans l'intermédiaire de tringles et de leviers de renvoi: le mode d'embrayage des excentriques sur une fourche montée à demeure sur la tige des tiroirs; la situation des pompes d'alimentation en arrière et dans le même plan que l'essieu coudé, ce qui donne le moyen de faire mouvoir ces pompes par une action directe des excentriques de recul ; et enfin la position de la boite à feu en arrière de l'essieu de derrière de la machine , d'où résulte qu'on peut donner à la chaudière beaucoup plus de longueur , et , par conséquent , plus de puissance , sans augmenter la distance qui sépare les points de support des roues extrêmes sur les rails.

Nous n'entrerons pas dans plus de détails relativement à la description des locomotives; nous dirons seulement qu'on a construit récemment de ces machines, avec des dispositions ingénieuses pour y employer la vapeur à une grande détente , particulièrement celles qui sont dues à M. Mayer, de Mulhouse, et à M. Robert Stephenson; mais nous attendrons, pour en parler, que leur usage se soit suffisamment établi dans la pratique.

ARTICLE H

Les machines locomotives n'étant , sous le rapport théorique , qu'une application particulière des machines à haute pression , les formules propres à calculer leurs effets seront semblables à celles qu'on a données dans le chapitre précédent. Cependant H

s'y présente, de plus, quelques circonstances accessoires que nous devons y introduire ; et c'est ce qui rend nécessaire de les traiter à part.

Ces circonstances sont : 1°. que la machine est obligée de traîner son propre poids , ce qui augmente d'autant son frottement ou la force perdue pour l'effet utile; 2°. que la vapeur étant lancée dans la cheminée par l'orifice de la tuyère , pour y créer un. courant d'air artificiel propre à activer le feu, et suppléer ainsi à l'exiguïté de la chaudière , il s'ensuit qu'une certaine force est dépensée par la machine pour chasser cette vapeur avec la vitesse nécessaire; 3°. que le train conduit par la machine ayant à lutter , dans son mouvement , contre la résistance de l'air , et cette force croissant comme le carré de la vitesse , il en résulte une résistance variable à ajouter à celles déjà considérées; 4°. enfin, que ces machines sont sujettes à une perte d'eau liquide en suspension dans la vapeur, qui excède de beaucoup le même effet dans toutes les autres machines, et, jusqu'à ce qu'on ait trouvé le moyen de remédier à ce défeul, il est nécessaire d'y avoir égard dans le calcul.

Pour tenir compte de ces diverses circonstances , nous évaluerons le frottement de la machine en y comprenant la force nécessaire pour transporter son propre poids , et nous exprimerons cette force par F , en la supposant toujours , comme auparavant , rapportée à l'unité de surface et à la vitesse du piston ; en outre , nous représente* rons par p ! V la pression , par unité de surface du piston , résultant de Faction de la tuyère , pression que , d'après nos propres expériences à ce sujet , nous supposerons proportionnelle à la vitesse de progression V de la machine ; enfin , comme la résistance de l'air varie, ainsi que nous venons de le dire, en raison du carré de la vitesse du mouvement, nous exprimerons cette résistance par uV* , en la supposant mesurée en grandeur absolue, telle que la donne l'expérience directe, et nous introduirons ces trois forces dans le calcul. Quant à la perte due à l'eau entraînée à l'état liquide dans les cylindres, nous en tiendrons compte, comme on l'expliquera plus loin , en la soustrayant de la vaporisation brute de la chaudière , pour en conclure la vaporisation effective, ou la valeur réelle de S.

Pour introduire dans le calcul les trois résistances que nous venons d'exprimer par F, pY et wV", il faut observer que la dernière, ou la résistance de l'air, est ici exprimée en grandeur absolue ; c'est-à-dire qu'elle est mesurée par la traction qui doit être exercée pour la surmonter , à la vitesse de progression de la machine, on à la vitesse de la circonférence des roues sur les rails. Or , on sait que les efforts exercés par la même force , en divers points d'une machine , sont en raison inverse de la vitesse des points considérés; et, d'un autre côté, la vitesse du piston est, à celle de progression de la machine , comme deux fois la course du piston est à h circonférence de la roue motrice , puisque chaque double coup de piston produit un tour de cette roue. Donc, en appelant D le diamètre des roues motrices de la machine , et * le rapport de la circonférence au diamètre , la résistance de l'air produira

contre le piston un effort augmenté dans le rapport ^r, et, par conséquent, l'intensité

de cette force rapportée à la vitesse et , de plus , à l'unité de surface du piston , aura pour expression

Quant au frottement et à la résistance due à la tuyère , comme ces forces sont déjà supposées rapportées à l'unité de surface et à la vitesse du piston , il n'y a aucune transformation à leur faire subir.

Gela posé, la résistance de la charge , par unité de surface du piston, que nous avions exprimée par r , sera maintenant augmentée de la résistance de l'air , ou deviendra

la contre-pression exercée sur la surface opposée du piston , au lieu d'être simplement représentée par la pression atmosphérique , aura pour valeur

et enfin, le frottement f de la machine sera maintenant remplacé par F.

Par conséquent, en se reportant au chap. Y, art. II , § I , les formules (1 ) et (2), qui donnent la vitesse et la charge du piston , dans le cas général , deviendront

Les quantités v et r, données par ces formules , font connaître la vitesse et la "charge du piston de la machine ; mais , comme il est beaucoup plus commode , dans la pratique, d'avoir immédiatement la vitesse de la machine elle-même sur les irails et la traction qu'elle est capable d'exercer à cette dernière vitesse , pour faire avancer les voitures qui portent la charge, il convient de faire , dans les formules, les substitutions convenables pour passer du premier mode de calcul au second. Pour cela , il suffit de se rappeler ce que nous avons dit un peu plus haut , savoir : que la vitesse de la machine est à celle du piston dans le rapport

21 ' ce qui donne d'abord

et ensuite , que l'effort de traction ou la charge R de la machine est à celle du pistou dans le rapport inverse des mêmes vitesses , ce qui donne

R = — =r ar* *D

Il suffira donc de faire ces substitutions pour obtenir les expressions désirées. En même temps , on remarquera qu'en multipliant les deux équations ci-dessus , on a

par conséquent , l'effet utile de la machine sera représenté par RV , aussi bien quepar arv. Ainsi , sans entrer dans aucune autre considération , on voit que les formules propres à calculer les effets des locomotives , soit dans le cas général , soit dans le cas du maximum d'effet utile , seront les suivantes :

• CAS GÉNÉRAL

I fltS

E. U. ==: RV.

CAS DU MAXIMUM D'EFFET UTILE

I «D wS

n=T^-^- p -^- F) - uy ">

E. u. max. &= R f V.

Dans l'application de ces formules , on remarquera que celle qui donne la vitesse» dans le cas d'une charge quelconque, contient encore au dénominateur un terme p 1 V et un autre. u V 9 ; mais, pour éviter la solution d'une équation du troisième degré, on fera une évaluation de la vitesse résultante, et l'on calculera ainsi une valeur approchée de chacun de ses termes , que Ton introduira comme des constantes dans l'équation , puis on en tirera une valeur de y. Avec un peu d'expérience de ces machines, le premier essai fait ainsi conduira déjà à une valeur très-appro*

cfcée de la quantité V. Alors on se servira du résultat de ce premier calcul pour assigner aux quantités p } Vetu V 1 une nouvelle valeur plus approehée que la première , et l'on arrivera ainsi à une seconde solution , qui sera suffisamment exacte pour un très-grand nombre de cas. Si cependant le résultat montrait que l'évaluation de V , qu'on vient d'employer , est encore trop inexacte pour s'y arrêter , on se servirait du résultat précédent, comme approximation, pour un troisième calcul, et dt celui-ci pour un quatrième, s'il était nécessaire.

ARTICLE ffl.

FORMULES PRATIQUÉS POUft LE CALCUL DES MACHINES LOCOMOTIVES, ET EXEMPLE DE LOB