Soupapes américaines

Une machine d'épuisement ayant été construite ultérieurement par les ateliers de Haine-St. -Pierre , pour la mine du Bois -des- Vallées (Hainaut), M. Colson a eu l'occasion de modifier la distribution de la vapeur d'une manière avantageuse par Tintroduction des soupapes dites Am(^ricaines , très-applicables aux chapelles de petites dimensions.

La boite des soupapes (fîg. 11 , pi. LXIX) est divisée en deux compartiments a et 6 ; d est l'orifice du tuyau adducteur de la vapeur; c est le tuyau de décharge; k, le canal de communication entre la chapelle et le fond du cylindre; f, la soupape d'admission et e , celle d'exhaustion.

Lorsque l'appareil doit fonctionner , la soupape f se lève

VOTEUUS DÉPUISEMENT. S81

et la vapeur , venant des chaudières par le tuyau d , se répand immédiatement au-dessous du piston , qu'elle sou« lève. Pour que cetui-ci fournisse son excursion descendante, f se ferme , e s'ouvre et le fluide élastique , fuyant de dessous le piston , s'échappe à travers la soupape dans le tuyau de décharge c. Ces soupapes ont leurs deux faces opposées soumises à la pression de la vapeur , soit que celle-ci entre dans la chapelle , soit qu'elle en sorte* Si ces deux surfaces étaient égales, la moindre force extérieure suffirait à les soulever ; mais alors la fermeture , ne dépendant que de leur poids, serait fort imparfaite; c'est pourquoi les aires des deux faces sont inégales. Dans la soupape d'admission , o étant plus grand que p , la fermeture a lieu par la pression de la vapeur contenue dans le compartiment 6/ le contraire se présente dans la soupape d'exhaus-> tion , où la partie inférieure m est plus grande que la face supérieure n. Il est facile de calculer l'excès de l'une de ces surfaces sur la surface opposée , de manière à réduire au minimum la valeur des contre-poids tendant à soulever les soupapes.

Des modérateurs appliqués aux tuyaux c et d règlent l'admission et la sortie de la vapeur ; rien n'est changé d'ailleurs dans la disposition du mécanisme.

742. Dispositions propres à prévenir les perles de calorique.

Les exploitants des mines du Gornwall prennent les précautions les plus minutieuses pour diminuer autant que possible les pertes de calorique. Ainsi le cylindre est enveloppé d'une chemise formant un espace annulaire . dont les deux extrémités sont munies de doubles fonds. C'est vers le haut de cette cavité que , pendant la marche de

S89 CHAPITIB Tl. — VI*. SeCTIOll.

la machine , afflue la yapear des èhaodîëres , tandis qu'un tuyau placé à sa partie inférieure permet aux eaux de condensation de retourner dans ces dernières. Ainsi la température des parois extérieures du cylindre est la même que celle des parois intérieures. En outre , à une distance d'environ 0.30 mètre de la chemise^ est construite une enveloppe en bois ; llntervalle compris entre ces deux objets est rempli de sciures de bois ou de tout autre corps mauvais conducteur. Une couche de la même substance recouvre le couvercle ; et enfin 1^ tuyaux adducteurs de la vapeur sont contenus dans des caisses également remplies de sciures de bois.

A la mine du Rocher-Bleu ( 1 ) la vapeur débouche par un tuyau placé à la partie inférieure de l'enveloppe; c'est aussi par là, que Teau de condensation retourne dans la chaudière , située en contre-bas du cylindre. La chemise est enveloppée de cordes en chanvre enroulées en hélice; puis une couche de plâtre de 0.05 mètre est appliquée au-dessus , et enfin un revêtement en planches laisse entre lui et le piètre un espace de 0.07 à 0.08 mètre, dans lequel est tassé du charbon de bois pilé.

Ces enveloppes sont d'une extrême importance dans les localités où le combustible est rare , et par conséquent d'un prix élevé; car la vapeur perd de son colorique, aux dépens de sa tension et des effets qu'elle doit pro*duire, toutes les fois qu'elle afflue dans une cavité dont les parois sont à une température inférieure à la sienne; en outre , ces alternatives de réchauffement et de refroidissement du cylindre se réitèrent à chaque coup de piston. Mais , dans les mines de houille où le combustible n'a qu'une faible valeur, où Ton emploie pour les grilles des

(i) AnnaUz des Mines, 4*. série, tome 11, page 13.

MOTEURS D*ÉPU1SEMENT. 585

chaudières des qualités qui ne peuvent être livrées au commerce, et souvent des menus charbons qui ne font qu'encombrer le carreau des puils, lexploilant trouve en général plus convenable de se soustraire à la dépense , et surtout aux compUeations qu'entraînent les enveloppes. Aussi n'en voit-on jamais, dans les mines de houille , de semblables à celles du Gornwall ou du Rocher-Bleu , et si accidentellement une chemise existe, elle consiste simplement en douves, qui, appliquées immédiatement sur la paroi extérieure du cylindre, sont maintenues par quelques cercles en fer. Cependant la houille , quelle que soit sa qualité y a toujours une valeur relative; il convient donc de calculer si le capital engagé pour mettre les cylindres à labri de la déperdition du colorique ne sera pas promptement amorti par la vente à prix réduit du charbon consommé en sus de la quantité rigoureusement nécessaire. Car , enfin, l'augmentation de travail utile créé par les enveloppes du Cornwall est considérable, puisque les ingénieurs de cette localité l'évaluent à un dixième du travail total obtenu par le même poids de combustible employé sans cette mesure de précaution.

Cest ici le lieu de parler d'un appareil propre à désaturer la vapeur, ccst-à-dire, à lui restituer le colorique perdu dans son passage du générateur au cylindre. Le réchauffeur , tel est son nom , est un vase en fonte d'une capacité égale à deux et demi ou trois cylindrées; ce vase, constamment enveloppé des gaz brûlés qui s'échappent des carneaux, est porté à une haute température; la vapeur y afflue en soulevant une soupape à boulets ; elle s'y rechauffe, et, en se déchargeant de son humidité, elle acquiert une plus grande tension , au moment de fonctionner dans le cylindre. Cet appareil, appliqué à l'un des moteurs d'extraetion de la Compagnie d'Auzin, a donné les résultats suivants ;

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Avant ces dispositions , la machine fonctionnait 23 à 24 heures en consommant 21 à 32 hectolitres de houille; actuellement la consommation est réduite à 15 ou 16 hectolitres pour le même travail effectué en 16 ou 17 heures. La force s'accroit donc pendant que la quantité de combustible diminue.

743. Influence des maitresses-tiges des machines à simple effet offrant une grande masse équUibrée par des contre-poids (1).

Plusieurs constructeurs reprochent, aux balanciers de contre-poids, d'accroître la somme des résistances passives par le frottement de leurs tourillons sur les crapaudines. Ils attribuent aussi à ces organes la production de chocs et de vibrations dans les attirails, et les accusent de causer ainsi la détérioration de Fappareil et des pertes dans les effets mécaniques. Mais le dernier de ces reproches porte à faux, puisqu*au contraire les contre- poids, s'opposant à l'accélération de la vitesse des attirails , anéantissent , ou tout au moins atténuent l'énergie des mouvements trop brusques et diminuent ainsi les résistances passives et les causes de destruction inhérentes aux maitresses-tiges et à leurs accessoires , large compensation de la perte d'effet utile engendré par le frottement des tourillons des balanciers.

L'emploi de tiges plus pesantes que ne le réclame leur

( i ) Dans tout ce qui va suivre le lecteur admet nécessairement révidence du principe suivant : Les moteurs de Tépuisement sont placés dans les conditions les plus avantageuses , si leur action se borne à soulever l'attirail de communication de mouvement, qui, retombant ensuite en vertu de son propre poids, foulQ la ÇQlQnnQ d^çai) et provoque &oo ascension.

MOTEURS 0*ÉPUISEM£NT. 58S

solidité procure , principalement dans les machines & simple effet , des avantages dont il est raisonnable de ne pas se priver volontairement. Ainsi, en général, la pression de la vapeur sur le piston est moindre qu'elle ne Test dans la chaudière , même en tenant compte de la déperdition du colérique. Cette différence est une cause évidente de diminution de Taction mécanique; car, si la vapeur se détend dans son trajet de la chaudière au cylindre , une partie de sa force d'expansion lui est soustraite, et elle perd de sa force vive. Or , une des principales causes de cette différence de pression se trouve dans la disposition et le poids des attirails. Si la masse de ces derniers est relativement trop faible^ le piston cède sous la première impulsion de la vapeur; Texpansion s'effectue avant que la soupape d'admission ne soit fermée , et la diminution de pression est en rapport direct avec Tespace que le fluide occupe dans le cylindre, c'est-à-dire, d'autant plus grande que le piston marche plus rapidement. Si , au con* traire , celui-ci , pour vaincre l'inertie des attirails , résiste aux premières impulsions du fluide élastique et n'acquiert qu'une vitesse modérée, les valeurs des pressions dans la chaudière et sur le piston sont assez assemblables , et le calcul démontre qu'elles seront d'autant plus rapprochées de l'équilibre que la somme des poids de la maîtressetige , des balanciers et de tous les accessoires auxquels le piston communique un mouvement alternatif est plus considérable. D'autre part , si les tuyaux qui mellcnt en communication les chaudières et le cylindre sont à grande section , si les soupapes et les valves modératrices ont de larges ouvertures, les deux pressions tendent à se rapprocher de l'équilibre; mais un orifice à grande section, étant ouvert sur une chaudière en activité , produit Fébullition tumultueuse et un dégagement de vapeur accompagnée

886 CHAPITRE VI. — Yi'« SECTION.

dVao réduite h un grand état de division. Si les pressions dans le cylindre et dans les chaudières sont inégales d^origine, c'est-à-dire si la masse de l'attirail trop faible permet au piston moteur de se mouvoir avee grande vl* tesse, cette eau, entraînée par la vapeur, accroît encore la différence de tension dans les deux espaces. Le constructeur esl alors forcé, pour empêcher l'introduction du liquide dans le cylindre , d'étrangler les tuyaux et de réduire les orifices des soupapes régulatrices d'admission, opération dont le résultat est encore de diminuer la tension de ta vapeur dans le cylindre, tandis qu'elle reste la même dans la chaudière. Comme cette différence devient queIc|uefois considérable, il faut, pour obtenir l'effet voulu, admettre le fluide pendant une grande partie de la course du piston , quelquefois même pendant toute la course, et se priver ainsi des bénéfices de la détente. Si , au contraire , te poids des attirails est suffisant , les tensions, dès Torigine^ seront assez rapprochées, et il sera possible, sans crainte de perdre cet avantage, d'employer des tuyaux de prise de vapeur d*un assez grand diamètre , et de donner de grandes ouvertures aux valves modératrices et aux soupapes d'admission , circonstances qui , toutes, concourent à établir autant que possible l'équilibre des pressions dans le cylindre et dans les chaudières.

Les ingénieurs du comté de Cornwall ont si bien reconnu par expérience la nécessité de ce principe qu'ils donnent aux maitresses-tiges un équarrissage excédant de beaucoup celui que réclame la solidité de l'appareil. C'est ainsi que l'un des attirails de communication du mouvement établi aux Consolidated mines pèse à peu près 84,000 kilog. et les contre-poids 55,000 kilog. , ce qui forme une masse totale de 139,000 kilog. à mouvoir, quoique le refoulcaicni de leau dans les colonnes ascendantes et

MOTEURS d'ÉPUISEMBNT. tf87

les autres résistances passives n'exigent^ pour être vaincues, qu*uD poids de 39,000 kiiog.

Une machine des United mines fournit encore un exemple remarquable de cette exagération du poids des attirails.

La maitresse-tige pèse , avec ses accessoires et les colonnes d'eau aspirées , • i 39 tonnes, les contre-poids, 96.50 »

Total, 235.50 tonnes, masse énorme que doit soulever le piston moteur, tandis qu*il sufGsait de donner à Tattirail un poids de 42.50 tonnes pour refouler Teau dans les pompes et vaincre les frottements (1).

Les avantages d'une maitresse-tige offrant une masse suffisante sont encore de favoriser la détente de la vapeur* Celle-ci, en effet, projetée sur l'une ou l'autre face du piston, agit avec une grande énergie pendant une fraction de son excursion ; et lorsque l'inertie des attirails est vaincue, que les colonnes d'eau sont ébranlées et déjà soulevées, lorsque 1rs contre-poids du balancier ont reçu la première impulsion , cette action peut diminuer progressivement jusqu'à ce que le piston ait fourni sa course en vertu du mouvement acquis par tout le système. Mais si le poids de la maitresse-tige est seulement égal à celui des colonnes d'eau , plus les résistances passives , la force vive imprimée aux attirails , étant en raison de leur masse , devient insuffisante et , nul contre-poids ne leur venant en aide, la détente de la vapeur ne peut avoir lieu que pendant une faible fraction de la course du piston, si l'émission n'a pas lieu pendant toute sa durée.

Une maitresse-tige plus pesante que les colonnes d'eau ,

(1 ) CoKBEs, TraUé d'ExpUntation des Mvnes^ tome III, page!K3.

mais non équilibrée par des contre-poids , fait perdre tous les béuéflces de l'expansion. C'est ainsi que , lofs des essais dont fut l'objet une machine d'épuisement à balancier eh tout conforme à celle qui a été décrite ci-dessus, le constructeur fut obligé , pour prouver qu'elle était construite & détente, d'imprimer au piston une vitesse fort grande au commencement de la course , et de prolonger la pression pendant une fraction très-considérable de cette dernière, aOn de lui faire achever son excursion descendante. La réalisation de l'effet voulu ne dépendait cependant que d'un balancier de contre-poids regardé très-probablement comme inutile (1).