DANS DEUX CYLINDRES

ARTICLE I

DESCRIPTION DE LA MACHINE

Les machines de Woolf sont des machines à double action, à haute pression, a condensation et à détente dans deux cylindres. Elles sont donc du même genre que celles qui précèdent , c'est-à-dire qu'on y utilise de même la détente de la vapeur ; mais seulement , au lieu d'effectuer cette détente dans un seul cylindre , on l'exécute dans deux cylindres inégaux , que la vapeur traverse successivement en se dilatant de plus en plus.

La vapeur formée dans la chaudière sous une pression absolue de 3 à I* atmosphères environ , est d'abord admise dans la partie supérieure du petit cylindre , et elle y pénètre librement jusqu'à la fin de la course du piston , où elle est interceptée. Alors une communication s'ouvre entre le haut du petit cylindre et le bas du grand. La vapeur qui remplissait la partie supérieure du petit cylindre passe donc dans le grand , et y arrivant au-dessous du grand piston , commence , en se détendant, à faire exécuter à celui-ci une course remontante. Mais , dans le même instant , la communication de la chaudière au petit cylindre , s'ouvrant vers la partie inférieure de celui-ci , y laisse arriver une nouvelle quantité de vapeur , qui pénètre maintenant au-dessous du petit piston, de manière à lui faire exécuter une course ascendante. Les deux pistons remontent donc en en même temps : le petit , par l'action directe de la vapeur de la chaudière ; le grand, par la détente de la vapeur qui a servi à l'action précédente du petit cylindre. Quand la course montante est terminée, la vapeur de la chaudière est admise au-dessus du petit piston , tandis que la vapeur qui vient d'opérer la course montante du petit piston passe au-dessus du grand. Ainsi , les deux

pistons , pressés sur leur face supérieure , sont ramenés simultanément au bas des deux cylindres , et le même effet recommence. Enfin , après avoir terminé son action dans le grand cylindre , la vapeur est reçue dans un vase séparé, où elle est condensée.

Les pi. XVI et XVII représentent une très-belle machine de ce système, construite par MM. Hick de Bolton ( Lancashire ) , et employée comme machine soufflante.

La machine a quatre chaudières à bouilleurs , chacune cons'stant en un tube supérieur de 35 pieds de long sur 4 pieds de diamètre, et deux tubes bouilleurs de 41 pieds de long sur 15 pouces de diamètre, joints au premier par des tubes verticaux, selon la disposition indiquée chap. III , § I. Deux seulement de ces chaudières suffisent à Faction de la machine ; les deux autres sont préparées en cas de réparations ou d'accident.

Le petit cylindre de la machine , représenté en A , a 23 pouces de diamètre sur 6 pieds de course pour le piston , et le grand cylindre , représenté en B , a 40 pouces de diamètre sur 8 pieds de course; ainsi, leurs contenances respectives sont dans le rapport de 1 à 4. La séparation qu'on voit en A 1 , dans le petit cylindre, en forme le véritable fond; la partie inférieure ne sert qu'à élever le sommet des deux cylindres à même hauteur. La vapeur arrive de la chaudière par le tube aa , qui monte verticalement à côté du petit cylindre. Ce tube est intercepté par une soupape régulatrice a' (fig. 82 et 83), pareille à celles que nous avons déerites chap* III, § VIII, et qui, selon qu'elle est plus ou moins ouverte, laisse arriver la vapeur, de la chaudière à la machine, en plus ou moins grande quantité. Cette soupape est manœuvrée au moyen d une poignée a" , qui agit sur une barre ter* minée par une vis de rappel , dont l'effet est de tourner plus ou moins le bras a m , et par suite Taxe qui soulève la soupape. Ce mode de règlement est susceptible d'une grande précision. La machine n'a pas de gouverneur à force centrifuge, parce que son usage ne l'exige pas, l'uniformité du courant d'air qu'elle fournit étant réglée par d'autres moyens.

Après avoir traversé la soupape régulatrice, la vapeur suit le tube de jonction C (fig. 83), et les deux passages c, c, qui, en contournant le petit cylindre, amènent la vapeur à la boite à tiroir D , dans laquelle elle pénètre par les ouvertures c', c f (fig, 84). Cette boite est ainsi toujours remplie de la vapeur de la chaudière, et, selon la position du tiroir, elle laisse pénétrer cette vapeur dans le petit cylindre, soit en-dessus, soit en-dessous du piston. Le tiroir est de la forme ordinaire, décrite chap. III, § III. Il consiste en une pièce creuse d (fig. 83), qui se meut sur trois ouvertures: l'une aboutissant au port supérieur du petit cylindre; l'autre aboutissant au port inférieur ; et enfin la troisième , ou celle du milieu , conduisant du petit cylindre au grand. Lorsque le tiroir est en haut de sa course, ou dans la position représentée sur la fig. 84 , l'ouverture inférieure 2 se trouve dé-

MACHINES DE WOOLF. 257

couverte, et, par conséquent, la vapeur venant de la chaudière, et qui remplit la boite à tiroir, s'y précipite et pénètre en dessous du piston du petit cylindre. Dans le même instant, le tiroir recouvrant à la fois l'ouverture qui conduit au sommet du petit cylindre et celle qui conduit au grand cylindre, forme une communication entre elles ; ainsi la vapeur, alors contenue au-dessus du petit piston, et qui vient d'effectuer la course descendante, s'échappe de la partie supérieure du petit cylindre pour passer dans le grand. Dans l'instant suivant , le tiroir, continuant sa course descendante , découvrira au contraire l'ouverture d'en haut , et couvrira celle d'en bas : alors la vapeur de la chaudière arrivera au-dessus du petit piston , tandis que la vapeur située au-dessous, et qui a terminé son action dans le petit cylindre, s'échappera vers le grand. Le tiroir est mis en mouvement au moyen de sa tige <F {fig. 82, 84), et, pour que cette tige puisse sortir au dehors sans donner passage à la vapeur , elle porte une boite à étoupes d" d" , qui , pendant les mouvemens de la tige, monte et descend avec elle. Cette boite à étoupes embrasse un tube intérieur dans lequel passe librement la tige du piston. Cette disposition remplace une boite à étoupes ordinaire , mais permet d'en placer le couvercle et les écrous en dessus , au lieu de les placer en dessous , comme on aurait été obligé de le faire d'après la direction descendante de la tige d\

Le passage de la vapeur du petit au grand cylindre s'exécute au moyen du tuyau f(fig. 83), dont on voit l'ouverture en f {fig. 84). La vapeur, une fois parvenue dans la colonne d'admission H du grand cylindre, la remplit en totalité, jusqu'à l'entrée des deux soupapes d'admission; et, selon celle de ces soupapes qui se trouve alors ouverte, elle pénètre soit en dessous, soit en dessus du piston du grand cylindre. Comme d'après la disposition de la machine , les deux pistons doivent remonter en même temps , il s'ensuit que lorsque la vapeur sort de la partie supérieure du petit cylindre , ce qui a lieu dans la course remontante du petit piston , elle doit passer dans la partie inférieure du grand cylindre , pour y produire également une course remontante ; et c'est ce qu'on voit représenté sur la fig. 84. Le contraire a lieu pendant la course descendante des deux pistons ; c'est-à-dire que la vapeur inutile sort alors de dessous le petit piston , pour passer au-dessus du grand , en se dilatant en proportion de l'espace qui lui est présenté. Au sommet et au bas du grand cylindre , se trouve une boite à soupapes, et chacune d'elles est d. visée en trois parties , savoir : la portion H 1 ou H' r , formant les deux extrémités de la colonne d'admission H , la portion E' ou E" formant les extrémités de la colonne d'éduction E , dont nous parlerons dans un instant; et , enfin , la portion intermédiaire F ou I", conduisant à l'intérieur du cylindre. Cette troisième portion porte d'ailleurs deux soupapes A 1 ou h" et e 1 ou e" , qui établissent une communication de l'intérieur du cylindre , soit avec la colonne d'admission , soit avec la colonne d'éduction. Ces soupapes sont à double disque , comme on le voit sur la figure , et d'une disposition très-avantageuse , en ce quelle permet d'ouvrir ou de fermer les soupapes sans aucune résistance de la part

de la vapeur. Dans la position représentée sur la fig. 84 , la soupape inférieure d'admission A" se trouve ouverte , ainsi que la soupape supérieure d'éduction e\ La vapeur arrivant du petit cylindre par la colonne H , passe donc sous le grand piston , et le fait remonter dans son cylindre, tandis que la vapeur qui a été reçue dans ce cylindre pendant la course précédente , s'échappe par la soupape e T dans le tube d'éduction E , qui la conduit au condenseur.

Le mouvement du tiroir du petit cylindre, et des soupapes du grand cylindre, est opéré par la machine elle-même, au moyen d'un excentrique K (fig. 81), dont la disposition a été déjà expliquée en détail, chap. III, § IV. II consiste en une roue percée hors de son centre et montée en ce point sur l'arbre de la machine. À mesure que l'arbre tourne , cette roue tourne avec hxi ; mais , comme elle n'exécute pas ce mouvement autour de son propre centre, H s'ensuit qu'elle passe soccessivement à droite et à gauche de l'arbre. Dans cette action , elle pousse et tire alternativement la barre k, qui est fixée à une bague embrassant librement la circonférence de la roue. Cette barre agissant à son tour sur un bras fixé à Taxe f, lui donne un mouvement alternatif, qui se transmet à deux autres bras &" et k m (fig. t$2 et 84); et, enfin, ceux-ci lèvent ou baissent le tiroir et les soupapes, selon qu'il convient à Faction de la machine.

Sur la fig. 84 , on voit que , dans la position où la machine est représentée , le bras de levier fc' f tient le tiroir d soulevé, de manière que la vapeur de la chaudière pénètre alors sous le piston du petit cylindre. Sur les fig. 82 et 84 , on toit que , dans le même instant , le bras de levier A? 11 , en soulevant la tringle de droite m des soupapes , ouvre à la fois la soupape inférieure d'admission du grand cylindre, au moyen du bras wf 1 , et la soupape supérieure d'éduction, au moyen du bras tri!. Dans l'instant suivant, le levier fc m , éprouvant un changement de position par l'effet de Fexcentrique , la tige verticale m se trouvera baissée , de manière que les deux soupapes dont il vient d'être question se fermeront ; et en même temps la tige l se relèvera , de sorte que la soupape d'admission d'en haut et la soupape d'éductîon d'en *bas du grand cylindre, se trouveront ouvertes par le soulèvement des bras P et l". De plus , pour que les soupapes d'éduction s'ouvrent toujours un instant avant les soupapes d'admission qui leur correspondent , les étriers où s'engagent les bras f' et rn" , pour faire agir les soupapes d'admission , laissent un peu de jeu dans leur partie supérieure, comme on le voit sur la fig. 82 , à l'insertion des bras dans les étriers. Par ce moyen , les tringles l et m remontent d'abord un peu , et soulèvent, par conséquent, les soupapes d'éduction avant de soulever celles d'admission.

La vapeur , en sortant des soupapes d'éduction , s'écoule par le tube d'éduction EE vers le condenseur qui est représenté en G {fig. 84). C'est un large cylindre dans lequel un robinet g permet de laisser pénétrer un jet d'eau froide , qui condense la vapeur à mesure de son arrivée. L'ouverture du robinet d'injection g est "d'ailleurs réglée , selon le besoin de la machine , au moyen d'une tringle de renvoi f (fig. 82) , * laquelle est attaché un bras fixé à l'extrémité de l'axe </"; de sorte

MACBUfBS DB WOOLF. 259

qu'en tournant cet axe plus ou moins, on peut augmenter ou diminuer à son gré la quantité d'eau injectée dans le condenseur» L'axe g" porte à son sommet une aiguille mobile sur un eadran , dont les divisions marquent, d'une manière pré* cse, le degré d'ouverture du robinet.

L'eau qui sert à l'injection est contenue dans une une bâche ou réservoir d'eau froide PP (fig. 81 et 84) , où elle est entretenue à un niveau constant par la pompe d'eau froide qu'on voit représentée en p. Celle-ci , qui est une pompe élévatoire ordinaire , tire l'eau d'un puits, au moyen du tuyau p\ et la verse dans la bêche par l'embouchure supérieure de son corps de pompe. Le piston, garni de chanvre , porte use bague mobile j>" p" , qui , pendant le travail , est fixée par des «ous r mais qu'on peut retirer au besoin; et cet arrangement permet de regarnir le piston* sans le déplacer. La pompe d'eau froide est d'ailleurs mise en action par le grand bahneier de la machine comme on le reconnaît sur la figure. La petite junpspe qu'on voit en * (fig. 82 et 85) sert à souffler la machine, c'est-à-dire i admettre directement la vapeur de la chaudière dans le condenseur et la pompe d'air» à l'origine du mouvement, pour en expulser l'air qui s'y introduit pendant les interruptions du travail. A cet effet , cette soupape communique avec le tube à vnpeur n par le tuyau coudé su »' ,, et , pour laisser cette vapeur pénétrer dans le condenseur » il suffît de lever à la main la soupape x, au moyen de sa tige a? et du krier s'*.

L'eau d'injection et de condensation amassée dans le fond du condenseur, ainsi que L'air et les gai dégagés de l'eau de la chaudière pendant son ébullition , sont ensuite retirés du condenseur par l'action de la pompe d'air, qu'on voit représentée en N (fig. 81 et 84). Nous avons déjà décrit son action en détail dans le efcap» III , § VI. Nous nous contenterons donc de rappeler qu'elle consiste en un corps de pompe parcouru par un piston à clapets n. Gc piston est mis en mouvement par le grand balancier de la machine , comme on le voit sur la figure. Quand le piston n monte dans, son corps de pompe , il fait le vide en dessous : alors l'eau et les gaz amassés dans le fond du condenseur ouvrent le clapet de pied , et passent dans la pompe d'air. Ensuite, quand le piston de la pompe d'air redescend, il presse sur l'eau amenée au fond de son corps de pompe , qui soulève les clapets n 1 n 9 , et passe au-dessous du piston; et enfin, quand celui-ci remonte de nouveau, tes clapets n' n' se referment par la pression de l'eau qui les surmonte, et cette eau est élevée par le piston. Une fois parvenue à la hauteur de l'ouverture n TI , qui conduit au réservoir d'eau chaude, l'eau amenée du condenseur pénètre dans cette ouverture, ouvre le clapet de décharge qui en ferme l'entrée, et passe dans le réservoir d'eau chaude, mais ne peut rentrer dans la pompe, parce que le clapet de décharge, ainsi que tous ceux dont nous venons de parler, ne s'ouvre que dans le sens de la sortie de l'eau , et non de sa rentrée. . L'eau chaude, ainsi extraite par la pompe d'air, est donc reçue dans le réser-

voir d'eau chaude, qu'on distingue partiellement en (fig. 81 et 84); et elle en est retirée à mesure du besoin , pour être transmise à la chaudière de la machine , dont elle sert à entretenir l'alimentation . A cet effet, la machine est munie d'une pompe d'eau chaude, représentée en o, derrière ta pompe d'eau froide. C'est une petite pompe foulante, qui aspire l'eau du réservoir d'eau chaude par le tuyau o f , et la refoule vers la chaudière , comme nous l'avons expliqué avec plus de développemens, chap. III, § IL Le trop-plein du réservoir d'eau chaude s'en écoule d'ail* leurs par le tuyau o", qui la conduit au dehors de la machine.

Pour que les tiges des pistons à vapeur et du piston de la pompe d'air suivent bien' exactement la direction verticale de leurs cylindres respectifs, au lieu d'éprouver dès déviations latérales par suite des oscillations angulaires du grand balancier, ces tiges sont maintenues par un parallélogramme , dont nous avons expliqué plus particulièrement les effets, chap. III, § V. Ce parallélogramme est formé de trois barres et d'une portion du grand balancier , articulées l'une sur l'autre de manière à former la figure r r" s 1 s", mobile aux quatre angles, et composée de quatre lignes égales deux par deux. L'angle *' de ce parallélogramme est de plus attaché i une bride s 1 R, qui s'articule sur un tenon R, fixé à l'entablement de la machine, et ici partiellement caché par le balancier. En outre, le parallélogramme porte encore une barre intermédiaire t' t", qui occupe le milieu entre les deux autres; et, enfin, le point s" est placé à la moitié du bras du balancier , à partir du centre Y. Cela posé , la tige de la pompe d'air est suspendue au point s , situé à moitié de la barre s J s"; la tige du petit piston est suspendue en t, aux trois quarts de la barre***"; et, enfin, le piston du grartd cylindre est suspendu en r à l'extrémité inférieure de la barre rr"; et il est facile de se convaincre que, dans cette position, les points d'attache des trois tiges suivront toujours des directions verticales. En effet, si l'on considère d abord la barre s" s\ dont une des extrémités est attachée en *" au grand 1 balancier, et l'autre en s 1 à la bride s ! R, on reconnaîtra que, pendant les mouvemens angulaires du grand balancier autour du centre Y , l'extrémité « n sera déviée à droite et à gauche de la verticale; mais, dans les mêmes instans , l'extrémité s 1 de la même barre sera déviée à gauche et à droite , c'est-à-dire en sens contraire, par les mouvemens angulaires de la bride à 1 R autour de son centre R. Comme la longueur de cette bride est égale à la distance s" Y , il s'ensuit que les deux extrémités de la barre s f s" seront déviées également , et en sens contraire l'une de l'autre: donc son milieu, ou le point d'attache s de la pompe d'air, se trouvera maintenu , sans déviation sensible , dans la verticale. Ce premier point entendu , il sera facile de reconnaître que , d'après la position des autres tiges , elles seront également maintenues dans la verticale de leurs cylindres respectifs. En effet, si l'on mène par le point s et par le centre Y du grand balancier une ligne droite, il est clair, d'après les proportions indiquées plus haut, qu'elle coupera la barre t' f ff aux trois quarts de sa longueur, et la barre rr" à son extrémité r, c'est-à-dire aux points t

MACHINES DE WOOLF. 261

et r marqués pour la suspension des tiges des deux pistons; et, quelle que soit la position du balancier dans ses oscillations, cette ligne droite passera toujours par les quatre points Y, *, t 9 r, de sorte que ces points décriront des lignes parallèles et semblables. Donc , puisque la ligne parcourue par le point s est une ligne droite verticale , il s'ensuit que les lignes parcourues par les points t et r seront également des lignes droites et verticales , c'est-à-dire que les tiges des deux pistons se trouveront maintenues dans la direction exacte de leurs cylindres respectifs.

Comme la machine représentée sur la figure sert de machine soufflante, l'extrémité opposée du grand balancier agit sur un piston mobile dans un cylindre de 90 pouces de diamètre sur 8 pieds de course , qui est garni en haut et en bas de clapets q y , q\ 4", q n , s'ouvrant du dehors en dedans. Lorsque, par Faction de la machine à vapeur , le piston q descend , les clapets g' , 9' contenus dans la boite supérieure s'ouvrent pour laisser pénétrer l'air dans le cylindre. Dans le même instant , les clapets inférieurs sont refermés par la compression qui a lieu sous le piston, et l'air comprimé , soulevant le clapet de sortie u",, s'écoule par le tuyau 11, qui le conduit au réservoir et aux fourneaux. Quand ensuite le piston q remonte, il aspire l'air extérieur par les clapets inférieurs g" , g" , et le refoule par le clapet t* 1 qui le conduit de même au tuyau de sortie.

La tige du piston du cylindre soufflant est d'ailleurs guidée par un parallélogramme, et, enfin, l'action de la machine est régularisée par l'emploi du volant XX, dont nous avons expliqué les effets, chap. III, S VIL

Dans la machine que nous venons de décrire, la vapeur est admise dans le petit cylindre pendant toute la course du piston, de manière que la détente est fixée invariablement par le rapport des volumes des deux cylindres ; mais , on peut également employer une disposition qui permette d'intercepter la vapeur en un point quelconque de la course du petit piston, et, par conséquent, de faire varier la détente à volonté. C'est donc ce dernier cas que nous devrons supposer, pour établir d'une manière générale la théorie des machines de ce système.

ARTICLE IL

On voit , d'après ce qui précède que , dans les machines de Woolf , le mode d'action de la vapeur est le même que dans les machines traitées d'une manière générale, chap IV, art. II; mais, comme le changement de surface des pistons, sur lesquels agit la vapeur pendant la détente, doit amener quelques modifications dans les formules, nous allons introduire brièvement ces circonstances dans la théorie générale exposée précédemment.

Soient P la pression de la vapeur dans la chaudière , et P la pression que prend cette vapeur à son entrée dans le petit cylindre, ayant la détente. Soient encore A et a les surfaces des deux pistons, L et / leurs courses respectives, et C et c la liberté des deux cylindres. Enfin , soit P la course d'admission , ou portion de course que parcourt le petit piston avant le commencement de la détente.

Si nous prenons la machine après que son mouvement est parvenu à rumfbrmké , la quantité de travail appliquée par la puissance sera égale à la quantité d'action développée dans le même temps par la résistance. Or , l'effort exercé par la puissance oe compose de la pression exereée contre le petit piston par la vapeur venue de la chaudière , et de la pression exereée contre le grand par la vapeur venue du petit cylindre. La résistance, au contraire , se compose de la pression produite contre le petit piston par la réaction de la vapeur qui sert de force motrice dans le grand ; as la pression subsistant derrière le grand piston , après condensation imparfaite de la vapeur qui a servi à la course précédente; et, enfin, de ht charge et du frottement de la machine. Nous allons donc calculer successivement la quantité d'action développée par chacune de ces einq forces pendant une oscillation du balancer „ et nous formerons ensuite l'équation de l'équilibre dynamique de la machine.

f\ En se reportant au calcul qui a déjà été fait dans le ehap. IV , ait. U, $1, 4e Faction de la détente do la vapeur , on trouvera que la quantité do travail , développée par fermée directe et la détente de la vapeur dans le petit cylindre, a pour expression

2*. Pour avoir la quantité de travail moteur , développée de même dans le grand cylindre, pendant une oscillation de la machine, il faut observer que c'est la même vapeur qui , après avoir occupé la longueur F -J- c du petit cylindre , avec la pression P v , se trouve maintenant répandue en partie au-dessous du petit piston et en partie au-dessus du grand , avec une pression correspondante à l'espace qu'elle occupe.

Si donc , nous considérons le point de l'oscillation de la machine , où le petit piston a parcouru une longueur x de sa course , et où la pression de la vapeur détendue, au-dessus du grand piston ou au-dessous du petit, est devenue «, il est clair qu'on aura , entre les deux pressions u et P 1 et les espaces respectivement occupés par la vapeur, la relation générale (c) , que nous avons écrite originairement (p. 157) sous la forme

dans laquelle M et M f sont les volumes successifs de la vapeur, et p , p f les pressions correspondantes.

Mais , puisque les courses L et / des deux cylindres sont parcourues dans le même

MACHINES DE WOOLF. 563

temps , il s'ensuit que , quand le petit piston aura parcouru la longueur * de sa course, le grand piston aura parcouru dans la sienne la longueur

Par conséquent , l'espace occupé par la vapeur dilatée , tant au-dessus du grand piston qu'au-dessous du petit , sera

A(j^ + c)+a(/-A + c) = ^ T ^A + a(/ + c) + AC.

Nous l'écrirons , pour un instant , sous la forme

Ox + Q,

en représentant par le coefficient de x , et par Q la quantité constante.

Cette expression donne donc la valeur du volume actuellement occupé par la vapeur , sous la pression «. D'un autre côté , sous la pression P\ la même vapeur occupait le volume a(F-\- c). On aura donc, d'après la relation générale indiquée » il y a un instant ,

Par conséquent , en procédant comme auparavant, c'est-à-dire, en multipliant les

deux membres de cette équation par -j-dx , puis , prenant l'intégrale entre (es UmjàeQ

—x = et j-a==L, ou i«=0 et A*=f, on aura la valeur du travail total

produit par la détente de la vapeur sur le grand piston , depuis l'origine 4e la course jusqu'à la fin , savoir :

fl(r+c)(w + P » ) ^iog^±9 nAL ,

3°. Pour avoir l'expression de la quantité d'action développée par la résistance de la vapeur , située sous le petit piston , on remarquera que cette vapeur étant à la pression « , comme celle qui agit dans le grand cylindre , il suffira de multiplier la valeur de * obtenue plus haut par adx , et d'intégrer entre les limites x = et x = /. Le résultat sera évidemment la quantité d'action développée par la résistance de la vapeur contre le mouvement du petit piston , depuis l'origine de sa course jusqu'à la fin. Il est aisé de voir que le résultat sera le même que celui qu'on vient d'obtenir à