Dejust, J... Machines vapeur et Machines thermiques diverses, par J. Dejust, ingnieur des arts et manufactures, rptiteur l'cole centrale, professeur la Fdration des mcaniciens et chauffeurs, etc.. 1899.

1/ Les contenus accessibles sur le site Gallica sont pour la plupart des reproductions numriques d'oeuvres tombes dans le domaine public provenant des collections de la BnF.Leur rutilisation s'inscrit dans le cadre de la loi n78-753 du 17 juillet 1978 : *La rutilisation non commerciale de ces contenus est libre et gratuite dans le respect de la lgislation en vigueur et notamment du maintien de la mention de source. *La rutilisation commerciale de ces contenus est payante et fait l'objet d'une licence. Est entendue par rutilisation commerciale la revente de contenus sous forme de produits labors ou de fourniture de service. Cliquer ici pour accder aux tarifs et la licence

2/ Les contenus de Gallica sont la proprit de la BnF au sens de l'article L.2112-1 du code gnral de la proprit des personnes publiques. 3/ Quelques contenus sont soumis un rgime de rutilisation particulier. Il s'agit : *des reproductions de documents protgs par un droit d'auteur appartenant un tiers. Ces documents ne peuvent tre rutiliss, sauf dans le cadre de la copie prive, sans l'autorisation pralable du titulaire des droits. *des reproductions de documents conservs dans les bibliothques ou autres institutions partenaires. Ceux-ci sont signals par la mention Source gallica.BnF.fr / Bibliothque municipale de ... (ou autre partenaire). L'utilisateur est invit s'informer auprs de ces bibliothques de leurs conditions de rutilisation.

4/ Gallica constitue une base de donnes, dont la BnF est le producteur, protge au sens des articles L341-1 et suivants du code de la proprit intellectuelle. 5/ Les prsentes conditions d'utilisation des contenus de Gallica sont rgies par la loi franaise. En cas de rutilisation prvue dans un autre pays, il appartient chaque utilisateur de vrifier la conformit de son projet avec le droit de ce pays. 6/ L'utilisateur s'engage respecter les prsentes conditions d'utilisation ainsi que la lgislation en vigueur, notamment en matire de proprit intellectuelle. En cas de non respect de ces dispositions, il est notamment passible d'une amende prvue par la loi du 17 juillet 1978. 7/ Pour obtenir un document de Gallica en haute dfinition, contacter reutilisation@bnf.fr.

MACHINES A VAPEUR ETMACHINES THERMIQUES DIVERSES

tour?.

iMPitniEBiE

DESLIS

rkm;.

R.

ET P. deslis

DU CONDUCTEUR DE TRAVAUX PUBLICS BIBLIOTHEQUE

AVAPEUR ..MACHINES etMACHINESHERMIQUES DIVERSES T PARJ. DEJUST 0INOBNIBUR DES ARTS ET MANUFACTURES RPTITEUR A L'COLE CENTRALB PROFESSEUR A LA FDRATION DES MCANICIENSET CHACFF8UHS ATTACH AU SERVICB DES MACHINES LVATOIRES DS LA TILLE DE PARU

PARIS VVE DUNOD, DITEUR CH.LIBRAIRE 49. DES Qnai PONTS ET DES des CHAUSSES, CHEMINS DE FER Grands-Augustins. ET DES 49 MINES

1899

DETRAVAUX PUBLICS DUCONDUCTEUR BIBLIOTHQUE LES AUSPICES DES TRAVAUXUBLICS P DE MM. LES DESISTES ET TLGRAPHES ET DUCOMMERCE DE L'INDUSTRIE DE L'AGRICULTURE,' DE DE'L'INSTRUCTION PUBLIQUE, LA JUSTICE DES COLONIES DE DE L'INTRIEUR, LA GUERRE,

Comit

de

patronage

Ancien Prsident du Conseil, Dput. Directeur. Fondateur .de l'Office spcial d'ingnieursconsultants. Ancien directeur de la voie publique et de l'clairage BOREUX de la ville de Paris. Ancien directeur administratif des services d'archiBOUVARD tecture, des promenades et plantations de la ville de Paris. Ministre des Travaux publics et des transports. CLAVEILT.E COLMET-DAAGB Ingnieur en cher des eaux, assainissement et drivations de Paris. Conseil!cr d'Etat, Professeur l'Ecole des Ponts et. COLSON Chausses. Ancien directeur des Bttimente cirila et dei Palais. COMTE (J.) nationaux. Docteur en droit, Directeur de la Revue de la LDELECROIX gislation des dfines. de l'Ecole nationale des Ponts et Chausses. Le Directeur de l'Ecole nationale suprieure des Mines. Le Directeur du Conservatoire national des Arts et Mtiers. Le Directeur Le Directeur du personnel et de l'enseignement technique au Ministre du Commerce et de l'industrie.* BOUSQUET (du) Ingnieur en chef du matriel et de la traction laCI- des Chemins de fer du Nord. Directeur de l'Ecole spciale de Travaux publics, da. EYROLLES Btiment et de l'Industrie. BARTHOU BECHMANN

VIFLAMANT Dr GAUTHIER GRILLOT

COMIT DE PATRONAGE

Inspecteur gnral des Ponts et Ch. en retraite. (de l'Aud) Ancien Ministre des Travaux publics, Snateur. Prsident honoraire de l'Association gnrale des Sous-Ingnieurs, Conducteurs et Contrleurs des Ponts et Clm-isaees et d.s Minets. GUILLAIIV Ancien Ministre des Colonies, Membre de la Chambre des dputs. HATON DE LA Membre de l'Institut, Inspecteur gnral des Mines GOUPILLIRB en retraite. M* LR BKKQUIER Avocat la Cour d'Appel de Paris. LOUIS MARTIN Avocat, Professeur libre de droit, Snateur. PHILIPPE Ancien directeur de 'Hydraulique agricole au Minietre de l'Agriculture. Ancien Directeur des Travaux de Paris. PONTICH (de) Le Prsident de l'Association philolechuique. Le Prsident de l'Association polytechnique. Le Prsident de la Socit des Anciens Elves des Ecoles d'Arti et Mtier*. Le Prsident de l'Association gnrale des Sous-Ingnieurs, Conducteurs, Contrleurs des Ponts et Chausses et des Mines. Le Prsident de la Socit des Ingenieurs civils de France. de la Socit franaise des Ingnieurs coloniaux. Le Prsident de la Socit de Topographie de France. Le Prsident Le Prsident de la Socit de Topographie parcellaire de France. Directeur de l'Octroi de Paris. QUENNEG Ponts et Chausse! ProRESAL Inspecteur gnral.des fesseur a l'Ecole de Ponts et Chausses. Cooieil Ur-mtitre honoraire la Cour des Comptes. TISSERAND

DE D BIBLIOTHQUE U CONffOCTEtJR TRAVAUXPUBLICS

Fondateur. JOLIBOIS, Ancien Directeur et Prsident du Comit de Rdaction. ancien Conseiller municipal de Pans, ancien Conseiller prural de la Seine ancien Prsident de l'Association des Personnels de travaux publics Pierre

Comit

de

rdaction

Bureau Pr&iidkmt BONNAL Directeur de la Compagnie des Tramways vapeur du dpartement de 'Aude, ancien Professeur l'Association philotechnique. Vick-Phjidknts DACREMONT FALCOU L.ANAVE VIDAL Ingenieurdes Ponts etChausses. Inspecteur en chef du service des Beaux-Arts de la ville de Paris et du dpartement de la Seine. Ancien ingnieur en chef des chemins de fer thiopiens. Inspecteur principal de l'exploitation commerciale des Chemins de fer. Secrtaires Commissaire du contrle de l'tat sur les Chemins de fer. Sous-Inspecteur de l'Assainissement de Paris. Adjoint technique principaldes Ponts et Chausses, Laurat de l'Acadmie franaise. Conseiller muci.ipal de Paris, conseiller gnral de Seine.

BONDU DIBOLD DUFOUR (Ph.)

LE:\IARCHAND

-VIII

COMIT DE RDACTION

MembresARANA AUCAMUS CANAL CHABAGNY COLAS GRIMAUD HALLOUIN LVY-SALVADOR MA LOTTE (G.) MUNSCII PRAUI2S

du Comit

PRVT REBOUL ROUSSEAU ROUX(O.) SAINT-PAUL .RIMONET

(Ph.)

Sous-Ingnieur ppal des Ponts et Chausses, Secrtaire de La Recuc Municipale. Ingnieur des Arts et Manufactures, sous-ingnieur aux chemins de fer du Nord. Sous-Ingnieur ppal des Ponts et Chausses. Ingnieur des Ponts et Chausses. Directeur de la Comptabiliv et des Services financiers des Chemins de fer de l'tat. Ingnieur dts Ponts et Chausses. Contrleur gnral de l'Exploitation commerciale des Chemins de fer. Ingnieur du Service technique de l'Hydraulique agricole au Ministre de l'Agriculture. Sous-ingnieur ppal des Ponts et Chausses. Rdacteur principal la Prfecture de la Seine. Chef de bureau du cabinet du .Ministre de l'Agriculture, Membre du Conseil d'administration de l'Association philoteclmique. Ingnieur des Ponts et Chausses (Nivellement gnral de la France), Sous-ingnieur ppal des Mines. Secrtaire gnral de la Socit franaise des Ingnieur coloniaux. Ingnieur des Ponts et Chausses. Sous-Ingnieur municipal, chef de section aux aqueducet drivations de la Ville de Paris. des Ponts et Chausses. Sous-ingnieur

MACHINES A VAPEUR

PREMIRE

PARTIE

GNRALITS SUR LES MACHINES THERMIQUES

importante d'nergie l'homme. C'est sous l'action de la chaleur solaire que s'vaporent les en eaux des mers qui, transformes en nuages, retombent pluie sur les continents o elles formentles fleuves et rivires, dont les forces vives sont utilises dans les machines hydrauen pro. liques. C'est ici la pesanteur qui sert d'intermdiaire de ces eaux vers les points bas. voquant l'coulement C'est aussi la chaleur solaire qui, chauffant ingalement de la terre, les masses gazeuses composant l'atmosphre provoque le dplacement des couches d'air et cre la puissance motrice du vent, que l'on utilise dans les divers systmes de moteurs ,venLou oliens. C'est la chaleur solaire enfin, qui, emmagasine par les vgtaux pendant leur vie, a form les diffrentes varits de combustibles naturels rsultant de leur carbonisation. Cette source d'nergie, les combustibles, est que constituent dont on puisse disposer. Pour une des plus importantes l'utiliser, il faut nouveau dgager la chaleur emmagasineMACHINES VAPEUR. 9.

par le soleil est la source la plus mise par la nature la disposition de

2

GNRALITS 8UR LES MACHINES THERMIQUES

dans le combustible et la transformer en travail les appareils chargs d'oprer cette transformation portent le nom de machines thermiques. de la chaleur en travail. Transformation Intermdiaires La chaleur une fois produite par la combustion employs.n'est pas immdiatement utilisable comme travail mcanique. Une transformation doit avoir lieu; elle ncessite un intermdiaire. Dans les machines thermiques, cet intermdiaire est un gaz ou une vapeur. La mthode employe consiste donner ce gaz ou cette vapeur, sous l'influence de la chaleur, une force lastique dtermine d'aprs le travail produire. Cette force lastique est ensuite utilise de faons diverses, par exemple pour vaincre un obstacle, tel qu'une paroi mobile, de quelque C'est nature ou de quelque forme qu'elle soit d'ailleurs. cet appareil d'utilisation de la force lastique de la vapeur ou du gaz pour la transformation en travail mcanique qui constituera la machine thermiques. Les intermdiaires qu'on emploie ou qu'on a tent d'employer sont trs varis; mais il en est un qui prime tous les c'est la autres et qui est de beaucoup le plus rpandu vapeur d'eau. Les machines thermiques qui emploient cet intermdiaire portent le nom de machines vapeur. Les autres intermdiaires qui ont tour tour t employs avec ou sans succs sont l'air, l'alcool, l'ther, le chlorole gaz d'claiforme, le gaz ammoniac, l'acide carbonique, rage, le ptrole, etc. Parmi ces derniers, les moteurs gaz et ptrole ont pris, dans ces dernires annes, une extension considrable. Les transformations physiques subies par ces diffrents de la gaz pendant qu'ils jouent leur rle de transformateurs chaleur en travail sont rgies par des lois communes dont l'ensemble constitue la thermodynamique ou thoric mcanique de la chaleur. L'tude des machines thermiques se trouve alors naturellement trace une premire partie, comprenant des gnralits sur les machines thermiques, contiendra l'historique

PRLIMINAIRES

3

de ces dernires et un rappel de la partie de la rapide deuxime thermodynamique qui leur est applicable'; une enfin une partie, renfermant l'tude des machines vapeur; troisime partie, comprenant l'tude des machines thermiques diverses autres que la machine vapeur, et dans laquelle seront plus spcialement traites les machines air, gaz et ptrole.

CHAPITRE I

HISTORIQUE DES MACHINES THERMIQUES

1.

LA

MACHINE

A VAPEUR

Il faut 'remonter deux mille ans, vers Historique. l'an 120avant l're chrtienne, pour trouver le premier vestige d'emploi de la vapeur d'eau comme force motrice, dont l'histoire ait conserv la trace. Dans un trait intitul Spirilalia, Hron, savant de l'cole d'Alexandrie, dcrit des appareils destins certains effets curieux manifester de l'air et de l'eau. L'un d'eux, appel boule d'Eole, ou olipyle (porte d'ole ou porte du vent), se compose (fig.l) d'une sphre creuse en cuivre avec un vase S, communiquant ferm, plein d'eau, par deux tubos recourbs a, b, dont l'un, plein, sert de tourillon, et dont l'autre, creux, pntre dans la sphre. Fia. 1. Celle-ci porte, de plus, deux petits tubes couds, placs aux extrmits d'un mme diamtre vertical, et dont les ouvertures extrieures sont diriges en sens inverse. Le vase ferm tant chauff, la vapeur arrive par le tube creux dans la sphre, s'chappe par les deux tubulures eL provoque un mouvement

HISTORIQUE

DES

MACHINES

THERMIQUES

5

de la sphre d la raction de la vapeur sur la paroi oppose. La vapeur agit donc dans cet appareil par sa puissance vive. Il dmontre effectivement qu'on peut se servir de la. vapeur comme puissance motrice, mais il ne peut tre considr comme le germe d'o est sortie la machine vapeur actuelle, dont le fonctionnement repose sur un principe diffrent. Cependant on retrouve l'application du principe de l'olipyle de Hron dans les turbines vapeur qui tendent tre employes aujourd'hui, surtout quand on a besoin de vitesses considrables. On verra, en effet, que ces appareils utilisent la raction de la vapeur comme puissance motrice. aucune Pendant seize cents ans, l'histoire n'enregistre recherche nouvelle sur la vapeur d'eau; il faut arriver au xvi' sicle pour voir l'Italien Lonard de Vinci (1452-1519) proposer de lancer des boulets au moyen de vapeur comprime dans un canon. Il appelait sa machine architonnerre, et en rapportait l'invention Archimde. En 154:3, d'aprs Arago, l'Espagnol Blasco de Garay tente, Barcelone, un essai d'application de la vapeur la propulsion d'un olides navires. Il s'agissait, selon toute probabilit, pyle de grandes dimensions. En 1608, J.-B. Porta, de Naples, dans sa Pneumatique, propose de faire monter un liquide au-dessus de son niveau, par la pression de la vapeur d'eau sur sa surface. Ce principe est encore appliqu, de nos jours, dans les monte-jus. de En 1615, le Franais Salomon de Caus, ingnieur Louis XIII, dans son volume les Raisons des forces mouvantes, indique les principales proprits de la vapeur. Il connait la condensation et sait que le volume d'eau produit par cette dernire est gal au volume qui avait t vaporis. Il sait qu'une boule, remplie d'eau et ferme hermtiquement, clate avec fracas quand elle est violemment. chauffe. Enfin il dcrit un appareil destin lever l'eau plus haut que son niveau, sous l'influence de la pression de la vapeur. L'appareil {fig. 2) se compose d'un ballon de cuivre deux tubulures l'une, munie d'un entonnoir et d'un robinet servant l'introduction de l'eau; l'autre, munie d'un tube vertical descendant prs du fond du ballon. Si on chauffe te de rotation

6

GNRALITS SUR LES MACHINES THERMIQUES

ballon plein d'eau, la vapeur produite, ne pouvant s'chapper, presse sur la surface du liquide et le force jaillir par le tube vertical avec une force variable avec la pression. En 1629, l'Italien Giovanni Branca, dans son volume intitul le Diaclcine del Srrj. Branca, dcrit une machine consistant en une tte creuse servant de chaudire, dont la bouche lance un jet de capeur sur les augets d'une roue Fic. 2. de palettes, qui prend un mouvement rotation. Vers 1630, le beau-frre de Cromwell, vque de Chester, Jean Wilkins, modifie cet appareil et propose d'envoyer un jet de vapeur sur les voiles d'une roue destine mouvoir un tourne-broche. En 1663, le marquis de Worcestcr, reprend les expriences de Salomon de Caus; c'est ainsi qu'il fait clater, en le chauffant, un canon rempli d'eau et bouch, montrant, de cette faon, la force expansive de la vapeur. de Magdebourg, En i60, Ollo de Gucricke, bourgmestre inventait la machine pneumatique, et,.en 1676, le physicien anglais Robert Boyle montrait la nature de la vapeur d'eau, tandis que, deux ans plus tard, en 1678, l'abb franais Jean Nautefeuille proposait d'lever l'cau destine aux bassins de poudre. Dans cette Versailles l'aide d'une machine machine, la dflagration de la poudre produisait le vide dans une caisse munie d'un tube plongeant dans le liquide, qui s'levait par suite de la pression atmosphrique. En 1680, le Hollandais Huyghens, fix Paris, o il avait t la premire machine, .dans attir par Colbert, construisit laquelle un piston mobile pouvait se mouvoir dans un cylindre. Cette machine tait une machine poudre. Elle se composait (flg. 3) d'un cylindre' vertical ouvert sa partie suprieure, et dans l'intrieur duquel se mouvait un piston auquel tait attache une corde passant sur une poulie. A cette corde tait fix le poids lever. A la partie suprieure taient disposes deux poches de cuir munies de soupapes s'ouvrant de dedans en dehors et destines donner

HISTORIQUE DES MACHINES THEIUI1QUES

7

au bas du cylindre, une issue aux gaz de la combustion petite boite tait destine recevoir la poudre. L'explosion de celle-ci projetait le piston la partie suprieure, -t ""jetait par les poches les soupapes se referl'air du -ylinarn maient aussitt sous la pression atmosphrique, qui, agissant aussi sur le piston, provoquait la monte du poids. C'est alors que le Franais Denis Papin, qui avait aid le clbre Huyghens construire sa machine, ayant remarqu que t'air ne pouvait jamais tre chass de l'appareil, et qu'il en compltement restait un cinquime environ, ce qui perdait la force et rendait dcroissante la puissance de descente du piston, eut la poudre canon l'ide de remplacer par de la vapeur d'eau, afin d'obtenir, un vide parfait. aprs la condensation, C'est cette ide vritablement gniale qui constitua le germe d'o est sortie la machine vapeur moderne. Denis Papin, l'inventeur de la machine vapeur, naquit en t64, Blois, de famille protestante. D'abord mdecin Fio. 3. Paris, il fut en rapport avec Huyghens, puis partit pour Londres o il fut en relations avec le physicien Robert Boyle, qui le fit nommer membre de la Socit royale de Londres (1680). Il quitta Londres en 1681, pour se rendre Venise, o il- fit partie d'une Acadmie de perfectionnement des sciences, fonde par SarroLi, qu'il quitta deux ans plus tard pour retourner en Angleterre, C'est en 1681 que Papin inventa son digestcur, ou cuiseur de viandes, embryon des autoclaves actuels, et qu'il le munit de la soupape de sret, telle qu'on la retrouve peu de chose prs aujourd'hui sur les chaudires vapeur. Ne pouvant rentrer en France cause de la rvocation de l'dit de Nantes, il alla, en 1687, occuper l'Universit de

8

0NIUL1TIS

SUR LES MACHINES THERMIQUES

chaire de mathmatiques, Allemagne,une que lui avait offerte le landgrave Charles, lecteur de Ilesse. C'est l qu'il fit la dcouverte qui immortalisa sa mmoire et qui fut publie au mois d'aot 1690, dans les actes de Leibnitz sous le titre de Nouvelle mthode pour obtenir bas prix des forccs motrices considrables. Voici la description de cet appareil, qui renferme le principe de la machine vapeur. Un cylindre de cuivre A {/ig. 4), ouvert par le haut et conteuant un peu d'eau sa partie infrieure, est parcouru par un piston B muni d'un peut trou a l'air du cylindre permettant de s'chapper et au piston de s'abaisser une premire fois. Cet abaissement obtenu, on bouche ce trou avec la tige t. L'eau, tant chauffe, se vaporise, soulve le piston et. le pousse au haut de sa course. Cela fait, on pousse un cliquet e qui, s'enfonant dans une rainure de la tige du piston, maintient celui-ci soulev. On enlve le feu, la vapeur se condense, et le vide on retire se fait dans l'appareil le cliquet e, et le piston, sous Fta. 4. l'influence de la pression atmodescend au fond du sphrique, les poids qui lui sont fixs. Il suffit cylindre en entranant de recommencer l'opration pour avoir un mouvement alternatif de bas' en haut. La mme eau peut servir indfiniment. Cet appareil, accueilli par une indiffcrence gnrale, fut abandonn par Papin qui, en 1707, essaya sur la Fulda un mode de propulsion des bateaux bns sur l'lvation d'une certaine quantit d'eau par un procd quelque peu analogue celui que l'Anglais Savery avait imagin. Cette eau retomhait. rur les aubes d'une roue hydraulique qui devait servir la propulsion. Les bateliers du Weser dtruisirent le' bateau en

1IJST01UQCE

DES

MACU1NES

TUEUM1QUES

9

et l'appareil (2Mseptembre 1707). Il faut noter que c'est cet appareil que Papin appliqua pour la premire fois la soupape de sret qu'il avait imagine pour son digesteur. Denis Papin mourut pauvre et ignor, vers l'an ni4. On ne connat ni la date exacte ni le lieu de sa mort. Il est remarquer que des perfectionnements insignifiants, tels que la fabrication de la vapeur dans un rcipient spcial et le refroidissement ultrieur de cette vapeur par un jet d'eau froide dans le cylindre, par exemple, auraient suffi pour faire de l'appareil dcrit plus haut le moteur le plus puissant de l'poque. Avec Papin est termine la priode d'essais, et la priode d'application commence. Machine de Sazery. -En 1696. l'Anglais Savery construit la

Flo. 5.

premire machine qui ait fonctionn. Elle servait de pompe une chaudire A(fig. 5' d'puisement. En voici la description

10

GNKAL1TS SUR LES MACHINES THERMIQUES

communique avec le rservoir B par le tuyau t muni du robinet r. Ce rservoir B se prolonge par un tube f qui se bifurque en deux branches, l'une ascendante dd, l'autre g plongeant dans l'eau lever. L'eau tant introduite dans la chaudire par le tube c, et le robinet r tant ferm, on produit ile la vapeur; puis on ouvre r, la vapeur remplit le rservoir B etsort par le tuyau/y en entranant l'air. Onferme alors le robinet r et l'on condense la vapeur du rservoir B en l'aspergeant d'eaufroide, l'aide du petit rservoir C, aliment par la conduite montante. C'est le principe de la condensation par surface. Le vide se faisant en B, l'eau puiser monte, la soupape s s'ouvrant et la soupapes' se fermant. Il reste ouvrirle robinet r pour que la pression de la vapeur fasse remonter' l'eau dans le rservoir suprieur. Le pulsomtre actuel est fond sur le mme principe que la machine de Savery. Machine de Newcommen. -C'est en 1705 que Newcommen et la machine Cawley, artisans de Darmouth, perfectionnant la premire machine embryonnaire de Papin, ima;:nrent industrielle connue sous le nom de naachine atmosplirique. Elle fut construite en 171), prs Birmingham. Elle se composait d'une chaudire hmisphrique C (fig. 6), munie de la soupape de sret. Cette chaudire envoyait de la vapeur dans un cylindre A, par le tuyau robinet t. Le piston P, recouvert d'une certaine quantit d'eau pour assurer tait fix par une chane l'extrmit d'un l'tanchit, balancier BB, qui, son autre extrmit, portait une autre chane relie l'extrmit suprieure des tiges des pompes F. La vapeur agissant sous le piston soulevait d'puisement celui-ci et les tiges F descendaient par leur propre poids. On fermait alors le robinet t et l'on condensait la vapeur par un jet d'eau froide. La pression atmosphrique faisait descendre le piston et relevait les. tiges en faisant fonctionner les s'obtenait en faisant pompes. Au dbut, la condensation tomber de l'eau sur le piston mais, une fuite s'tant dclare dans celui-ci, amenant l'introduction de quelques gouttes d'eau dans le cylindre, les inventeurs s'aperurent

HISTORIQUE

DES

MACHINES

THERMIQUES

Il

et que le se faisait trs rapidement la condensation que nombre de coups de pistons par minute augmentait.

Fia. 6.

ils injeo La condensation par mlange tait dcouverte trent alors l'eau l'intrieur du cylindre par le-robinet f, qui devait tre ouvert au moment voulu. L'eau s'coulait par le tuyau l au momen t de la descente du piston un clapet empchaitla rentre de l'air pendant l'ascension du cylindre. Les robinets t et f devaient donc tre manuvres spcialement un instant dtermin. La lgende raconte qu'en 1713 le jeune Humphry Patter, ayant remarqu une corrlation entre les positions du balancier et la manuvre des robinets, com-

12

GNRALITS

SUR

LES

MACHINES

TIIEKMIQUES

manda automatiquement ceux-ci par des ficelles attache au balancier, afin de pouvoir aller jouer avec ses camarades. Ce dispositif fut perfectionn, en 1718, par Bcighton, qui remplaa les ficelles par des tringles chevilles. Fitz-Gcrald imagina le C'est en 1758 que le mcanicien le mouvement vertical alternatif en moyen de transformer un mouvement circulaire continu, l'aide de roues dentes, et recommanda de l'emploi du volant comme rgulateur mouvement. En 1760, Brindley imagina le flotteur rgulateur d'alimentation des chaudires. Enfin, en 1764, les gniales inventions de l'Anglais James Watt rsolurent d'une faon complte le problme gnral de la machine vapeur. furent perfectionnes Ces dcouvertes par les tudes d:Amantons (1694), de Newton (1701) et de Fahrenheit (1714) sur le thermomtre; de Black (1762), de Cavendish (1766), de l'riestley (i774), sur la nature et les proprits des vapeurs et des gaz, James Watt naquit en 1736, Greenock en Ecosse, fut d'abord ouvrier mcanicien, puis fabricant d'instruments de Glasgow. Il coopra aux travaux -les canaux mathmatiques etdes ports d'Ecosse, fut en ii85, membre de la Socit royale de Londres et associ de l'Institut de France, en 1808, Il mourut, le 2i aot 1819, quatre-vingt-trois ans, Heathfield, prs Birmingham. Ayant eu rparer un modle d'une machine de Newcommen Watt entreprit son perfectionnement. Il inventa d'abord le condenseur isol, permettant de faire la condensation en dehors du cylindre. Il vitait ainsi de refroidir le cylindre et conomisait la moiti du combustible employ. C'est qu'en offet Wall avait reconnu que la tension de la vapeur contenue dans un vase tait gale celle qui correspondait la temprature de la partie la plus froide des parois du vase; il suffisait donc, pour condenser instantanment et compltement lavapeur du cylindre, de mettre, fin de course, le cylindreen communication avec un condenseur rempli d'eau froide. Pour se dbarrasser au fur et mesure de l'eau, qu'exigeait en grande quantit le condenseur, et de l'air contenu

HISTORIQUE

DES

MACUIKES

THERMIQUES

13

il imagina dans la vapeur, provenant de l'eau condensante, !a pompe air, commande par le balancier lui-mme, Cependant cette machine tait toujours une machine Watt changea le principe moteur et se atmosphrique; servit de la force lastique de la vapeur seule. Il construisit ilors la machine il simple effet. Vachine simple effel de Walt. La chaudire tait place dans un bliment spcial, et la vapeur tait prise le plus haut

Fio. 7.

possible, afin d'avoir de la vapeur sche. Une conduite incline E (fig. 7), servant de retour d'eau condense, menait la vapeur au cylindre C.

14

GNRALITS

SUR

LES

MACHINES

THERMIQUES

Le cylindre tait en fonte alse; Watt inventa, pour le construire, la machine alser; il tait entour d'une double enveloppe o arrivait la vapeur affluante, afin de maintenir les parois aune temprature leve. Watt est donc l'inventeur de la double enveloppe. L'appareil latral d'admission au haut et cylindre se composait d'un conduit communiquant, bas, avec le cylindre et contenant trois soupapes lasoupape i, et 2, d'quilibre. d'admission; 3, d'chappement; Le cylindre tait ferm ses deux extrmits et la tige du le fond suprieur; pour piston traversait, par consquent, assurer l'tanchit, Watt inventa le presse-toupe, ou stufpngbox Le piston mtallique tait reli, par une chane s'enroulant sur un secteur, au balancier LL bras ingaux, oscillant autour de l'axe 0; un excs de poids du ct des tiges de au piston de rester la partie suprieure pompe permettait du cylindre. En A tait le condenseur, avec son jet d'eau pulvrise, en B la pompe air, qui n'tait autre chose qu'une pompe lvatoire, dont le piston p tait m par l'intermdiaire d'une tige, attache par une chane un secteur secondaire du balancier. Les soupapes 1 et 3 tant fermes, et 2 tant ouverte, la vapeur agissait sur les deux faces; l'excs de poids des tiges des pompes agissait seul sur le piston et le maintenait la partie haute. Les soupapes i et 3 s'ouvrant, la face suprieure du piston tait presse par la vapeur, tandis que la face infrieure avec le condenseur; le communiquait piston descendait. La soupape 2 se rouvrant, 1 et 3 se fermant, la vapeur primitivement motrice passait sous le piston, quilibr et remontai,, sous l'influence du qui redevenait poids des tiges. L'eau servant la condensation, et qui, par suite, tait chauffe, tait vacue par la pompe air au fur et mesure, puis reprise par une pompe spciale et envoye' la chaudire. Watt est donc encore l'inventeur de ce sysdes chaudires avec de l'eau dj tme d'alimentation chauffe. ralisant sur celle de Newcommen un Cette machine, norme progrs, n'tait pas vendue, mais donne par Watt et

HISTORIQUE

DES

MACHINES

THER1IIQOES

15-

Les son associ Boulton aux industriels qui la demandaient. deux associs se rservaient seulement de toucher le tiers de conomise sur le combustible. On la somme annuellement chiffrait cette somme d'aprs le nombre de coups de piston de la machine enregistrs par un compteur, invent par Watt, aprs avoir dtermin par exprience le combustible brl, pour un certain nombre de coups de piston. En ralit, cette combinaison, en apparence gnreuse, faiC'est ainsi sait revenir les machines un prix exorbitant. des mines de Chacewater, o l'on que les propritaires employait trois pompes feu, payaient Boulton- Walt, la somme de 60.000 francs par an. le moyen de rendre la Enfin, vers 1776, Watt chercha vapeur motrice l'aller et au retour du piston. Il inventa alors la machine double effet et en fit le moteur universel. Pour permettre le passage de la vapeur, tantt en dessus, tantt au-dessous du, piston, il appliqua la machine le tiroir invent, en 1801, par son contrematre Murray, et imaautomatique de ce tiroir par l'excentrique. ginalacommande il fallut aussi imaginer un procd nouveau de liaison afin de profiter de l'effort entre le piston et le balancier, moteur ascendant. Aprs avoir essay un systme compos de crmaillre et d'engrenages, Watt inventa le paralllogramme articul, permettant de transformer le mouvement rectiligne du piston en mouvement circulaire du balancier. Pour transformer le mouvement du balancier en mouvedu volant, Watt songea la manivelle ment circulaire dont l'invention tait trs vieille. Un de ses concurrents, Washbrough, ayant fait breveter ce dispositif, Watt imagina la disposition connue sous le nom de roue solaire et plantaire, qu'il abandonna d'ailleurs, ds qu'il le put, pour revenir la manivelle. La figure 8 reprsente Machine double effets de Watt, la machine de Watt double effet. Le balancier oscille autour de l'axe 0. En C se trouve le cylindre vapeur, et en aa, soupapes. Le condenseur est L'appareil de distribution plac en R et puise l'eau par le tube t dans la bche H, en chauffe dans partie remplie d'eau. L'eau, continuellement

i6

GNRALITS

SCK

LES

MACHINES

THERMIQUES

le condenseur, est enleve au fur et mesure par la pompe sur le air P, mue par la tige f, qui prend son mouvement cette eau se dirige dans le rservoir S, d'o elle balancier; est puise par la pompe alimentaire U, mue galement par le balancier l'aide de la tige f4. Cette eau est renvoye la chaudire.

Fia. 8.

Enfin on voit en Q une pompe mue par la tige f2, qui aspire par le tuyau T, dans un puits par exemple, l'eau ncessaire de la bche Il. En V se trouve le volant cal l'alimentation sur l'arbre moteur A, mis en mouvement par la bielle B et du balancier. En X se N par l'intermdiaire la manivelle de commande du distributeur trouve l'excentrique aa; ce dernier sera dcrit au chapitre de la Distribution. la marche de la machine, Watt inventa Pour rgulariser sous le nom de plus tard son gouverneur, connu aujourd'hui rgulateur force centri fuge. Dans cet appareil, qui emprunte son mouvement la machine mme, la force centrifuge agissant sur deux boules suspendues par des bielles coudes agit ur le papillon d'entre de vapeur dans le cylindre et en

HISTORIQUE

DES

MACHINES

THERMIQUES

Il

suivant que augmente ou en diminue la quantit introduite, la machine ralentit ou acclre son mouvement. Cet appareil sera dcrit glus loin. Enfin Watt dcouvrit l'emploi de la dtente de la vapeur, la machine qui apporta un si grand perfectionnement vapeur; le clbre inventeur n'eut pas occasion d'appliquer dcouverte. Il ne l'utilisa, en beaucoup cette remarquable i769, que pour attnuer les chocs du piston sur le fond du cylindre. Ce n'est qu'en 1804 que Arthur Woolf, constructeur anglais, ralisa la machine double cylindre qui porte son nom et dans laquelle la vapeur se dtend dans un cylindre spcial. si on laisse arriver dans Voici en quoi consiste la dtenle le cylindre la vapeur pleine pression pendant toute la course, le piston, soumis une force constante, prend un acclr et arrive la fin de sa mouvement uniformment course avec une assez grande vitesse, ce qui occasionne des chocs. Pendant toute la course, on emprunte de la vapeur la chaudire. Si on interrompt, un certain moment de la avecla chaudire, la vapeur enfercourse, la communication me sous le piston continue se dtendre en vertu de sa force lastique, laquelle diminue de plus en plus mesure il en que le piston .arrive vers l'extrmit de sa course rsulte que ce dernier arrive au fond du cylindre sans choc de vapeur tant avec une vitesse rduite. La consommation plus faible, il s'en suit galement une conomie de combustible. Jusqu' ce moment toutes ces machines fonctionnaient basse pression, c'est--dire que la pression de la vapeur dpaset qu'il fallait, pour que sait peu la pression atmosphrique le piston fonctionnt, faire le vide au condenseur. Le physicien allemand Leupold, en i725, puis l'Amricain Olivier Evans, .en 1782, et enfin les Anglais Trevithick et Vivian en 1801, employrent la vapeur une pression suprieure ce qui leur permettait de la rejeter celle de l'atmosphre, dans l'air aprs lui avoir fait produire son effet moteur, et de Ces appareils, appels machines se passer de condensur. en Angleterre que vers 1825 haute preaion, ne se rpandirentMACHINES A VAPECR. 2

is

GN.KAXITS SUR LES MACHINES THERMIQUES

A cette poque, le constructeur llandslay remplaa l'norme balancier de Watt par une bielle articule. Ces machines pouvaient galement marcher avec le condenseur et fonctionner avec ou sans dtente. Depuis ce temps, la machine vapeur n'a fait que se perfectionner jusqu' nos jours. La dpense de charbon par cheval-vapeur produit, descendue vers i 830,dans les machines de Cornouailles, kilogramme, s'abaissa encore jusqu' descendre Oks,700 dans les machines marines. Le tableau cidessous donne un aperu de la dcroissance rapide de la quantit de charbon brl par cheval.

9 Watt ( condensation). Machines de moyenne puissance il condensation. Machines grande puissance a conMachines marines.

Les procds de distribution et de dtente furent ports la perfection dans les systmes Meyer, Farcot, Corliss, Sulzer et leurs drivs. Avec les machines compound triple et quadruple expansion, on augmente encore les rsultats de la dtente, de telle faon que la machine vapeur mouvement alternatif peut tre considre comme parfaite. Pour terminer cette notice historique, il y a lieu d'ajouter que la machine vapeur fut introduite en France par les rrresPerrier, vers 1778 environ,qui'construisirent la pompe feu de Chaillot, destine la distribution de l'eau dans Paris, et le moulin vapeur de Harfleur. Entre temps, en 1769, Cugnot essayait l'application de la vapeur la locomotive sur route et construisait une voiture vapeur, prcurseur des automobiles, que l'on voit encore au -Conservatoire des Arts et Mtiers

HISTORIQUE

DES MACHINES THERMIQUES

19

En 1783, le marquis dc Jouffroy lana sur la Sane le premier bateau vapeur qui ait rellement fonctionn. En 1817, Manbyen Angleterre et Cav en France construisirent les macliines oscillantes destines supprimer la bielle et articuler directement la tige du piston sur la manivelle. On. imagina galement les machines rotatives supprimant entre le piston et l'arbre moteur. Ces distout intermdiaire abandonns, bien que le prinpositifs sent provisoirement cipe en soit bon. A signaler enfin les turbines vapeur, dans lesquelles la vapeur agit par raction, et qui permettent d'obtenir de trs grandes vitesses. Telle est l'histoire de la machine vapeur,-qui reprsente pour la France, y compris l'Algrie, d'aprs les statistiques officielles, une force de 5 millions de chevaux-vapeur correspondant au travail de prs de 100.000.000 d'hommes.

S 2.UN

MACHINES THERMIQUES employantAUTRE AGENT QUE LA VAPEUR

Depuis un certain nombre d'annes, on a essay de remplacer l'eau par un autre liquide ou mme par un gaz dont la puissance d'expansion est galement provoque parla chaleur. connues sous le nom de De l les machines thermiques machines vapeurs combines, air chaud, gaz, ptrole, etc. montreront Les principes de la thermodynamique que le coefficient conomique d'une machine dpend uniquement des tempratures extrmes entre lesquelles elle fonctionne. La nature du liquide employ n'entre pas en jeu; comme c'est la chaleur dpense seule qui se convertit en travail, c'est d'elle que dpend le travail de la machine. Il y a donc vaporisantune temprature avantage employerunliquidese infrieure il celle del'eau. L'tlier, qui bout 37, remplittrs d'une bien ces conditions. De plus, la vapeur d'chappement machine vapeur ordinaire peut trs bien porter l'ther a l'bullition, de sorte que cet ther vaporis peut servir faire fonctionner une deuxime machine annexe la premire.

20

GNRALITS

SUlt

LES

MACHINES

THERMIQUES

C'est Machines vapeurs combines d'eau et d'ther. en 1840 que M. du Tremble; ingnieur franais, imagina sa machine vapeurs combines d'eau et d'ther, qui a t installe sur des paquebots faisant le service rgulier d'Alger Marseille. Dans cette machine, la vapeur d'eau, sortant la cylindre clos travers par une vapeur, passait dans un condenseur srie de tubes verticaux contenant de l'ther. La vapeur d'eau, sa chaleurde vaporisation, vaporisait l'ther en abandonnant qui tait admis dans un cylindre spcial et agissait sur un piston dont la tige tait relie l'arbre de la machine vapeur, de faon y ajouter son travail. La vapeur d't 1er tait condense dans un rcipient refro.di, d'chappement puis refoule dans un rservoir situ la partie infrieure des tubes. Ces machines taient dangereuses cause de l'inflammabilit de l'ther. Elles furent longtemps exprimentes, puis finalement abandonnes. M. Lafont, officier de Marine, substitua le chloroforme mais la vapeur de ce liquide est asphyxiante; l'ther M. Ellis employa aussi les vapeurs combines d'eau et de sulfure de carbone. Machines air chaud. Dans les machines air chaud on communique, l'aide de la chaleur, une force lastique une certaine masse d'air qui, en se dilatant, fournit un travail dtermin. Les premiers essais remontent, parat-il, Montgolper. J. Niepce s'occupa aussi du problme. En 1816, Robert Stirling construisitune machine, perfectionne ensuite parJames Stirling, dont la description sera donne au moment o seront tudis les moteurs air chaud. Le capitaine Ericsson reprit la question et construisit, en 1852, la machine air chaud qui porte son nom. En 1855, M. Franchot prsenta l'Exposition universelle un type d'ara-moteur deux cylindres, que M. Ryder amliora plus rcemment. M. Laubereau construisit galement une machine air chaud destine aux petites forces.

MSTOMQUE

DES MACHINES THERMIQUES

21

de Belou (1860), de Enfin on peut citer les aro-moteurs .Hoche, de Bnier, etc, Les machines air ont un coefficient conomique thorique suprieur celui des machines vapeur. A certains en effet, points de vue elles ont des avantages marqus il n'en est pas de l'air se trouve partout et ne cote rien Il n'exige mme de l'eau. Sa composition est constante. pas de chaudire, et les explosions de machines air prLa mise en pression est sentent un danger insignifiant. trs rapide. En revanche, les machines air prsentent moins d'tanch.il, l'air tant plus subtil que la vapeur; l'air chaud dtriore les garnitures, calcine les graisses, facilite les grippements, oxyde les mtaux. Malgr ses rels avantages, la machine air chaud ne s'est En revanche, pas dveloppe, du moins sur le continent. elle a joui d'une trs grande vogue en Amrique. Dans le moteur air chaud Moteurs gaz et ptrole. on brle toujours du combustible sur une grille, afin d'chauffer l'air qui va fournir le travail moteur dans une capacit spare du foyer. Pour viter la perte de chaleur rsultant de de cet tat de choses, aprs plusieurs perfectionnements la machine air, on'a cherch effectuer la combustion dans le cylindre mme. Pour cela, on amne le combustible un tat de division extrme pour assurer une union intime avec l'oxygne'de l'air. Si le combustible est gazeux, on a. le moteur gaz; s'il est liquide, on a le moteur ptrole; s'il est solide, on a le moteur poussire de charbon. Les deux premiers, surtout le moteur gaz, sont de beaucoup les plus rpandus. Les premiers essais de moteur gaz d'clairage, qui ont la fin pris de nos jours un essor considrable, remontent du sicle dernier. En 1799, Lebon, ingnieur des Ponts et Chausses, chercha un gaz qui, mlang l'air en certaines proportions, pt faire explosion; il trouva le gaz d'clairage et abandonna l'tude livrer l'clairage des villes.. des marines

22

GNRALITS

SUR

LES

MACHINES

THERMIQUES

Tour tour Rivaz en 1807, Samuel Brown en 1827, Demiohlis et Mnnier, Talbot et Christoforis, tudirent la question. Elle devait tre rsolue par M. Hugon, en 1858, et' par M. Lenoir, en 1859. La machine de M. Otto, en 1877, rendait le moteur gaz vritablement industriel et lui per-' mettait de lutter mme avec la machine vapeur. considrableDepuis, le moteur gaz s'est perfectionn ment et est devenu d'un usage courant, cause de son extrme commodit. Les moteurs ptrole sont d'usage beaucoup plus rcent. Ils tendent de plus en plus se rpandre de nos jours. On sait l'avenir que.parat leur rserver l'industrie de l.'automobilisme. diverses. On signalera, Machines thermiques pour mmoire, et simplement pour qu'ils ne soient pas omis dans l'historique des machines thermiques, certains moteurs qui n'ont qu'un intrt rtrospectif. C'est ainsi que Cartwright, en 1797, et plus rcemment MM.Tissot, Iieghin, Herr, ont propos des machines vapeur d'alcool et d'ther. On a employ aussi le gaz ammoniac liqucfi et la vapeur de ptrole agissant comme la vapeur d'eau et non de la mme faon que les moteurs ptrole prcits, dans lesquels l'air est chauff par l'injection de ptrole. A mentionner aussi les essais de Ghilliano etCristin, en i855, avec l'acide carbonique liquide. Ces essais furent repris sans succs par M. Dfarquis et aussi plus rcemment (en 1884) par M. ltfkarski. Un essai original a t fait,par M. Frot, ingnieur de la Marine, l'aide du gaz ammoniac employ d'une faon particulire. Une dissolution de gaz dans l'eau est fonction de la temen partiLe gaz ammoniac, prature et de l pression. culier, se dissout avec une trs grande facilit dans l'eau, qui, 150, en absorbe 743 fois son volume avec une extrme la pression de rapidit. Si on chauffe cette dissolution, l'ammoniaque qui se dgage peut tre employe comme force motrice. La vapeur d'eau que ce dgagement entrane

HISTORIQUE

DES

MACHINES

THERMIQUES

21*

pour son propre compte. Le mlange, aprs avoir agi, passe dans un condenseur surface et se liqufie, puis une pompe le refoule dans la chaudire. Un moteur semblable a t construit par M. Pietro Cordenous, Rovigo. intervient

utilisent comme Les fulmi-moteurs Fulmi-moteurs. force motrice la dflagration des'explosifs. L'abb Hautefeuille en a anciennement propos fort vaguement l'emploi. En 1682, Huyghens, de Zulichen, construisit avec Papin la machine poudre atmosphrique, qui devait tre remplace par la machine vapeur. Successivement, Gros, en 186b, avec sa machine-revolver, Debriat, avec son dynamophonc, employrent aussi la poudre comme moteur. M. Thomas Shaw, ingnieur amricain, appliqua cet appades pilotis. Une cartouche tant place reil l'enfoncement sur la tte du pieu, le mouton, en tombant, en provoque la du pieu, puis est prodflagration, dtermine l'enfoncement jet comme un projectile vers le dclic qui le retient susmme pendu. Le colonel autrichien Prodanovie, reprenantla ide, obtenait cinq coups la minute avec un mouton de 750 kilogrammes tombant de 3 mtres. Ces appareils portent le nom de sonnettes balistiques. MM. Hureau de Villeneuve et Pnaud proposrent l'emploi des explosifs azots. M. Renoir prconisa la nilro-glycrine. Sauf la sonnette balistique, aucun de ces appareils naa donn de rsultats satisfaisants.

Ces moteurs se distinguent des autres Moteurs solaires. machines thermiques par le mode de chauffage. La chaleur la source en est y est emprunte au rayonnement-solaire donc inpuisable. Du jour o l'on saura, par des moyen simples et pratiques, utiliser cette chaleur et la transformer en nergie, il n'y aura plus lieu de se proccuper des'com-

24

GNRALITS

SUR

LES

MACHINES

THERMIQUES

voit son terme fix dont l'approvisionnement presque d'avance. Quoi qu'il en soit, les moteurs solaires sont encore en la effectives se rduisent enfance, et leurs applications machine de Mouchot, perfectionne par M. Abel l'i/fre, dont la description sera donne dans la troisime partie du volume. bustibles

CHAPITRE Il

LA THERMODYNAMIQUE APPLIQUE AUX MACHINES THERMIQUES

n'avaient Les premiers inventeurs Prliminaires. vu, des effets de la vapeur d'eau, que l dans les manifestations puissance mcanique du feu. Cependant de nombreux faits physiques avaient fait reconnatre qu'il devait y avoir, entre la chaleur dpense et le travail mcanique accompli, une certaine relation. On savait que, si le travail des machines a le travail mcanique, pour source la chaleur, inversement de la chaleur; par le frottement, le choc, etc., produisait Rwnfort avait essay mme de dterminer la chaleur produite par le forage des canons. Au commencement du sicle, les physiciens pensaient que chaque fois qu'il y avait production de chaleur par le travail ou inversement, il y avait change de chaleur d'un corps chaud un corps froid, mais que la quantit de chaleur restait la mme. l,rayer d'Heilbronn, en mai 1842 (Annales de Wlhcr et Liebig), posa clairement ce principe pour la premire fois Que, toutes les fois qu'il y- avait travail produit, une certaine quantit de claaleur disparaissait et que la quantit de chaleur disparue tait proportionnelle a travail produit. Ce principe, comme on le verra plus loin, n'est autre que le premier dont les lois rgissent toutes principe del thermodynamique les machines thermiques. La vrification de ce principe fut faite par Regnault, Hirn et surtout Joule qui, l'aide d'appareils trs prcis, tablit l'quivalent mcanique de la chaleur. En 1824, Sadi-Carnot, n en 1796, mort en 1832, dans son ouvrage intitul Rflexions sur la puissance motrice du feu et

26

GNRALITS

SUR

LES

MACHINES

THERMIQUES

sur les machines propres dvelopper cette puissance, avait le deuxime principe pos ce que l'on appelle aujourd'hui de la thermodynamique, ou principe de Carnot, et qui tait Toutes les fois qu'il y travail ainsi conu produit par l'volution d'un corps, il se fait un passage de chaleur d'un corps chaud un corps froid, et la quantit de travail produit corresla quantit de chaleur transporte cette quantit ne pond dpend pas de la matire du corps voluant, mais seulement des tempratures du corps chaud et du corps froid entre lesquels se fait l'volution. Les travaux de Clausius, de Hirn, de Zeuner ont depuis fait faire de grands pas la thorie mcanique.de la chaleur. Dans cette tude, on n'aura considrer, en gnral, que ce qui a rapport aux machines thermiques.

1.

TAT

D'UN

GAZ.

VOLUTION

L'tat d'un gaz et, en gnral, d'un corps quelconque, est caractris par son volume, sa temprature et sa pression. Si l'on fait subir il ce gaz des modifications dans son tat, la chaleur qu'il contient produit du travail, ou inversement. Une succession de ces modifications, opre d'ailleurs suivant une loi quelconque, s'appelle volution. On admet en gnral que, pour tous les corps, il existe une relation V(p,v,t)z=O 0 de sorte que, entre la pression, le volume et la temprature, quand on connat deux des lments, on peut dterminer le troisime et on connat, par sirile, l'tatdu corps. .pour les corps solides ou liquides, la relation ci-dessus est inconnue; mais, pour les gaz parfaits, on peut la dduire dea lois de Mariolte et de Gay-Lussac. On sait que ces lois donnent la relation:

LA TIIEIU10DYNAMIQCE

APPLIQUE

AUX MACHINES

27

pvt et PoVo tanl les pressions, volumes et tempratures du corps diffrents, l'un de pour deux tats quelconques l'autre. Celte expression peut s'crire

a est le coefficient commun de dilatation c'est donc une constante de la nature, a = 0,003665. Donc

de tous les gaz;

et l'on a

(1)On peut poser: a + t = 273 + t T, a 273 + t,, = To. tp T et To seraient les tempratures du Les tempratures corps aux deux tats considrs, comptes partir d'un zro fictif appel zro absolu, situ 2730 au-dessous du zro normal (temprature de fusion de la glace). On les appelle tempratures absolues du corps. La formule dfinissant l'tat d'un gaz sera donc

La pression du gaz est, en gnral, celle du milieu qui J'entoure toutes parts, et exerce sur sa surface une tende s sion par mtre carr, contre laquelle le corps ragit avec une intensit gale. Le volume v est, en mtres cubes, le volume de 1 kilo.

28

GNRALITS

SUR

LES

MACHINES

THERMIQUES

gramme

du gaz tudi.

C'est le volume spcifique ==-,

3 tant le poids spcifique, ou poids de l'unit de volume. Si l'on suppose que to = 0, que Po=H, pression que: atmosphrique = i0.334k&,00 par mtre carr, et

a tant la densit du gaz il 0 sous la pression sion (i) ci-dessus devient

H, l'expres-

d'o

Mais la valeur

est une

quantit

fixe et connue

pour

chaque gaz et qui n'est fonction On peut donc poser Comme, d'autre = R.

que de la densit de ce gaz.

part, on a absolue,

a + t = Tr temprature

il en rsulte que l'expression gnrale des lois de Mariotte et de Gay-Lussac peut se mettre sous la forme pv = RT. Pour les gaz qui, se rapprochent les valeurs de R sont les suivantes le plus des gaz parfaits,

LA

THERMODYNAMIQUE

APPLIQUE

AUX

MACHINES

29

VALEURS

DE 3q

-VALEURS

DE R

Azote Oxygne Hydrogne Acide carbonique. Oxyde de carbone

1,2566 1,4298 0,0895 t,9772 1,2500

30,134 26,475 422,66' 19,15 30,28

1 Cettevaleurse rapproche de d beaucoup celle de l'quivalent mcaniquoe la chaleur(424). graphique de l'volution d'un gaz. =1; tat Reprsentation d'un gaz pouvant tre dtermin par deux lments, la suite des modifications qu'il subit en son volution peut tre reprsente graphiquement comme l'a indiqu Clapeyron. Sur les deux axes o.x, oy rectangulaires (fig. 9), on porte en abscisses les volumes, et en ordonnes les pressions. A deux valeurs dtermines de v et de p correspond un tat du corps dtermin par le point M. L'tat se modiF.o. S. fiant, le corps volu, et le point M se dplace suivant une courbe, d'ailleurs quelconque, qui est la reproduction graphique de l'volution. Cette courbe prend le nom de cycle, et on dit que l'volution se fait suivant le cycle MM'. Parmi tous les cycles, il en est qui sont dignes de retels sont marque i Le cycle de zolume constant, reprsent par une parallle l'axe des 11; et le cycle de pression constante, reprsent par une parallle aux x;

30

GNRALITS

SUR

LES

MACHINES

TUIift.MIQUS

2 Le cycle isotherme, ou de temprature constante pour les gaz, l'quation gnrale tant pu = RT, si T est constant, la de l'volution sera une hyperbole quiligne reprsentative latre 3 Le cycle dechaleurconstante, ou ligne adiabatique, suivant dans cette volution, l'tat du l'expression due Rankine gaz se modifie sans perdre ni gagner de la clialeur. Son quation, comme on le verra plus loin est pv'< = G".

2.

PAR une transformation absorbe Chaleur LMENTAIRE QUELCONQUE d'ux GAZ dfinissant l'tat d'un gaz lant

L'quation

gnrale

pu = RT, on a, en prenanl ou la diffrentielle, RdT = pdv + vdp,

dT de temprature Une variation quelconque est donc une variation de volume accompagne de deux phnomnes et une variation de pression. La quantit de chaleur ncessaire pour produire une varia pression constante est, pour l'unit, tion de temprature par C, clcalcur spcifique pression constante; et reprsente la quantit de chaleur ncessaire pour produire une varia volume constant est c,- chaleur spcition de temprature fique volume constant. Pour la variation partielle de temprature .jtpour la

laquelle le volume varie et la pression quantit de chaleur sera donc

est constante,

LA

TUU.MODYNAMIQUE

APPLIQUE

AUt

MACHINES

31

et pour la variation partielle de temprature vdp, pour laquelle le volume est constant et la pression varie, la quantit de chaleur sera

d'o il rsulte produite

sera que la variation totale de temprature par une variation de chaleur_dq ayant pour valeur'

(1)Cette quation En effet: d'o: peut se mettre sous d'autres formes vdp = RdT pdv;

ou bien (2) D'autre part: pdv Donc on a = RdT vdp.

ou bien (3) Telles sont les trois formes, (1), (2), (3), par lesquelles on peut exprimer la valeur de dq, chaleur absorbe par la transformation lmentaire d'un gaz. L'quatiop (2), qui est la plus intressante, montre qu'une quantit de chaleur dq, communique au gaz, sert, d'une part, produire une variation de temprature et, d'autre part, une variation de volume qui demeure disponible pour produire un travail externe. On a vu, dans le trait de Mcanique, Hydraulique et Thcrune certaine quantit de modynamique, qu'en communiquant

32

GNRALITS

SUR

LES

MACHINES

THERMIQUES

un corps quelconque une premire partie est c'est la chaleur sensible; employe lever la temprature: une deuxime partie est employe pour fournir un certain trauail interne destin modifier les forces molculaires L'ensemble de ces deux parties constitue d'agrgation. l'nergie interne. Enfin une troisime partie de la chaleur transmis provoque une dilatation de la-masse susceptible c'est le travail externe. d'tre employe utilement Dans les gaz parfaits, les forces d'agrgation sont nulles, et, par suite, la deuxime partie n'existe pas. L'nergie interne ne se compose alors que de la chaleur sensible, et son quation diffrentielle se compose de la premire partie de l'quition (2) dq = cdT, chaleur ou, en intgrant entre les limites To et T^ par exemple, Q=c(T0-T1)v La deuxime de la masse. partie de l'quation (2) traduit la dilatation

Soit un Expression du travail d'un gaz qui se dilate. cylindre [fig. 10), dans lequel se meut un piston imaginaire soumis une pression extrieure p par unit de surface. Soit s la surface du piston si l'on examine le travail lmentaire, en appelant dz le dplacement lment.aire du piston, on peut, pendant ce considrer la pression p dplacement, comme constante. La pression sur le piston sera ps, et le travail sera par suite psdz, c'est--dire le produit de la force parle chemin parcouru. idz est l'augmentation infiniment petite Fin. 10. de volume rsultant du dplacement l-

mentaire dz; donc on peut Ecrire sdz = dv.

LA

THERMODYNAMIQUE

APPLIQUE

AUX

MACHINES

33

Par suite,

le travail lmentaire 1) et

vt). pu; = RT2.

= R(T2-T)).

3 A tempcrature constante (volution isothermique). -Dans ce cas il n'y a pas de chaleur sensible et, par suite, de travail interne. Tout le travail est externe. Les relations

et donnent:

T tant la temprature absolue constante de l'volution. On peut aussi, en rduisant les logarithmes npriens en logarithmes vulgaires, crire:

Pendant 4 A chaleur constante [volution adiabatique). celte volution, dans laquelle le gaz doit travailler sur luimme sans donner ni recevoir de la chaleur, il transforme en travail externe une certaine quantit de son nergie interne pour passer de la temprature To la temprature T,.

LA

TllEIlMODYNAMIQUE

APPLIQUE

AUX

MACHINES

43

On sait que l'nergie par

interne

dans les gaz est reprsente

c(T0-T3). Cette

Fta. 53. Machine

borizonta!e bielles en retour.

disposition a t adopte pour les machines marines, en vue d'conomiser de la place. La tige du piston est ddouble,

ORGANES

DE

LA

MACHINE

A

VAPEUR

135

et les deux tiges manire laisser se fixer sur une l'aide des pices traverse et revient qui est coiuli' La

TT' se trouvent dans un plan inclin de passer l'arbre moteur. Chaque tige vient horizontale K traverse coulisseaux p et p'. La bielle B s'articule sur cette vers le cylindre actionner l'arbre moteur, pince occupe est minima.

Toutes les Machine actionnant un arbre verlical. des arbres machines que l'on vient Je dcrire actionnent horizontaux; mais on peut disposer aussi les machines horizontales pour actionner des arbres verticaux. Il suffit simplement que les glissires de la tte du piston soient disposes de manire rsister aux efforts nouveaux qu'elles ont subir. Quelques mots de ces dispositifs seront dits dans l'lude dtaille des organes. pistons sans tiges ou machines fourreaux Dans ces machines, la bielle est directe(fig. 54 et 55). Machines

Fia. 54.

Machine fourreau simple.

ment

articule

au centre

du piston, et la tige du piston est.

136

MACULES

A

VAPEUR

par suite, supprime, ce qui permet de rapprocher beaucoup l'arbre du cylindre. La figure 54 donne un exemple de machine verticale fourreau simple. ont l'inconvnient de dvelopper un effort Ces machines trs ingal sur les deux faces du piston, par suite de la diffrence notable de leurs surfaces! De plus, le passage du fourde reau dans le fond suprieur exige un presse-toupe grandes dimensions, et occasionne, par suite, un frottement considrable.

Fig. :i5.

.Machine double fourreau,

typc Penn.

Pour rendre le travail gal sur les deux faces, on a alors cr la machine double fourreau (fig. 55), type Penn. Le frottement est doubl, cause de la ncessit des deux de plus, les condensations y sont trs impresse-toupes portantes, par suite des grandes surfaces refroidissantes. Les inconvnients que prsen'or>t ces machines sont considrables par rapport au lger avantage qu'elles prsentent. Machines mi-fixes. Les machines mi-fixes forment le classe spciale de moteurs solidaires de leur gnrateur de vapeur et sont fixes avec lui sur un bti commun Ces types exigent des fondations peu importantes et ne demandentpas de monteurs spciaux pour leur mise en place. Ils sont tout indiqus quand, pour une cause ou pour une aut.re, le point o doit tre tablie la force motrice doit tre dplac, comme dans le cas d'puisements, de submersions, de travaux de mines. Pour certaines industries, ces.types convienent par-

OKGAXES

DE

LA

MACULE

A VAPEUR

137

faitement; ils sont, plus que d'autres, capables d'tre remploys d'autres usages. Le gnrateur peut tre amovible ou fix d'une manire invariable la machine proprement dite. Les dispositions de ces machines sont trs diverses (horizontales, verticales, etc.), mais drivent toujours des types qui ont t tudis. Dans d'autres chapitres traitant des Machines diverses. sont alternatif, applications de la machine mouvement dcrites quelques machines spciales, telles que les machines simple effet des types Westinghouse, Brotherhood, etc., destines produire des mouvements de rotation trs rapide, et les scrvo-moCeurs, les machines de chocs, certaines machines de commande de pompes, etc., etc., qui, tout en tant des machines vapeur mouvement alternatif et piston, ne rentrent pas dans les catgories numres ci-dessus, lesquelles constituent des types gnraux de moteurs.

2.

Fondations

ET btis

des machines

Les machines fixes reposent sur des consFondations. tructions en maonneries appeles massifs, qui doivent tre le moindre tassement pourrait amener absolument stables des efforts imprvus/qui de frottements, des supplments rgupourraient gravement compromettre le fonctionnement lier de la machine. Pour obtenir cette stabilit, les fondations doivent tre extrmement soignes; de plus, elles doivent tre disposes transmises pour amortir, autant que possible, les'vibrations au sol et, par suite, aux corps environnants. tablies sur le sol Les fondations sont, en consquence, rsistant, ou, son dfaut, sur un sol fortement dam, sur lequel on tablit tantt un plancher form de pices de chne tantt un massif de bton. de fort quarrissage, Sur ces fondations on tablit le massif lui-mme, qui doit tre, autant que possible, en fortes pierres de taille.' Si le massif est en moellons, il est bon de recouvrir ceux-ci par

138

MACHINES

A

VAPEUR

une table de pierre de taille, sur laquelle viendra se fixer le bti de la machine. Certains constructeurs disposent parfois, sous les fondations mmes, des substances varies, lastiques et incorruptibles, destines amortir les vibrations produites. Les divers organes dont se compose la machine Bti. sont relis ensemble par un bti indformable, ordinairement en fonte. Tous les organes fixes de la machine sont boulonns sur ce bti. Ce dernier est fix au massif par des boulons de fondation, filets leur partie suprieure, pour que l'on puisse placer les crous de fixage, et munis, leur partie infrieure, de clavettes et de plaques venant repose: sur des sommiers fixs la maonnerie, de faon rendre le bti solidaire' du massif. La forme du bti est loin d'tre indiffrente. Il y a intrt rpartir le mieux possible la matire, suivant la manire dont les efforts agissent. Il faut aussi tenir compte des dilatations cet effet, le cylindre est quelquefois boulonn en l'extrmit d la plaque de fondation, comme porte--faux, dans les machines Corliss. L'assemblage du cylindre avec la plaque se fait au moyen de boulons dont le trou est oblong, pour permettre les dilatations. L'assiette du bti doit tre trs tudie, surtout si le sol est sujet des affaissements, comme, par exemple, pour les installations faites sur des travaux de mines. On tend alors diminuer le nombre de' points d'appui; un bti reposant sur trois points reste toujours stable, quelles que soient les variations du sol; s'il y a un plus grand nombre de points d'appui, il peut y avoir, au contraire, des porte--faux. Quelquefois les points d'appui du bti se rduisent un seul, ce qui assure videmment l'quilibre dans tous les cas. Les machines destines fournir de petites forces peuvent ne pas tre places sur le sol. On en trouve souvent fixes aux murs des usines, ou mme des supports, l'aide de consoles de formes appropries. Chaque cas diffrent comporte videmment une solution diffrente. On trouvera, d'ailleurs, des exemples citer dans les descriptions qui suivront.

ORGANES

DE

LA

MACHINE

A

VAPEUR

139

3. construction

Des ET

cylindres dispositions

A VAPEUR divehsks

Le mtal employ Mtaux employs et construction. pour les cylindres de machines vapeur est la fonte grise dure, grain serr. Elle doit tre d'excellente qualit. Certains ateliers possdent, cet effet, des fonderies spciales. Le cylindre, une fois fondu, est plac sur le tour et als avec beaucoup de soin jusqu'au diamtre prcis qui a t calcul. La surface intrieure doit en tre parfaitement polie, ainsi que la tablette o s'ouvrent les lumires d'introduction ou d'chappement de la vapeur. des considrations L'paisseur du cylindre doit satisfaire de fonderie et de rsistance. Parfois on donne un supplnient d'paisseur en prvision des alsages futurs; mais il faut remarquer que, si le cylindre est muni d'une double enveloppe, cette prcaution peut tre nuisible la transmission de la chaleur. Le /ond du cylindre, son couvercle, c'est--dire le tcC. qui est travers par la tige du piston, les pices de l'enveloppe et la glace du tiroir sont boulonns aprs le cylindre. Les joints entre les pices assembles se font de la mme manire que pour les joints de vapeur, c'est--dire au minium, la parfaitecruse, ou bien encore entre surfaces mtalliques ment dresses; on emploie aussi le caoutchouc, l'amiante ou carton d'amiante, et mme certains alliages qui se ramollissent par la chaleur. La distribution Cylindres sans enveloppe (/!< 30). s'effectue l'aide d'un tiroir T, qui permet . la vapeur de s'chapper successivement par les orifices d'admission A et A' et par l'orifice E. La partie MM formant la glace G du tiroir est rapporte au cylindre. Dans la vue de ct, cette .partie se trouve prime de son couvercle CC,, le tiroir tant galement enlev.

140

MACHINES

A

VAPEUR

doit quilter de suite En principe, le conduit d'chappement le cylindre, pour ne pas tre expos un rchauffement.

Fin. 5G.

Cylindre sans enveloppe.

On voit, sur la figure, que les fonds sont rapports, ainsi que le couvercle de la Loite vapeur, CC,, la glace du tiroir, et les orifices d'admission et d'chappement. Les enveloppes de Cylindres enveloppe de vapeur. vapeur peuvent tre venues de fonte avec la partie princimais, pale du cylindre. L'ajustage est alors trs simplifi en revanche, le travail de fonderie est beaucoup plus dlicat. double d'un cylindre La figure 57 donne l'exemple enveloppe comportant un fond fixe.

ORGANES

DE

LA

MACHINE

A

VAPEUR

141

La difficult d'excution consiste dans la confection d'an On mnage dans les d'paisseur. noyau de 2 centimtres destibrides des videments ns permettre l'enlvement du sable qui a servi la confection du noyau. Les nuyauxne pouvant descendre au-dessous d'une certaine paisseur, on est parfois oblig de donner une surlargeur de diamctre il l'enveles loppe, ce qui augmente De plus, le condensations. sable provenant des noyaux, et qui reste. toujours en partie attach au mtal, s'en dtache et peut tre introduit dans le cylindre, qu'il raye en ocainsi trs rapidement casionnant des fuites. Les enveloppes venues de en gfonte ne s'emploient, nral, que pour ies petites

Fin.57. Cylindreavec defonte. enveloppe enue v forces. On se sert presque toujours d'enveloppes rapportes. Quand l'enveFin. 58. Cylindre & enveloppe rapporte. loppe du cylindre est rapporte, on a l'avantage de pouvoir mettre un tube de frottement plus

142

MACHINES

A

VAPEUR

dur l'intrieur; l'enveloppe extrieure, qui n'a aucun frottre d'autre qualit. tement subir peut, sans inconvnient, La figure 58 reprsente un type de cylindre double enveloppe rapporte, munie d'un couvercle et d'un fond amovible. Le contact entre le tube de frottement et sa double enveloppe a lieu suivant les nervures n. Comme la vapeur ne doit pas pouvoir pntrer de la double on enveloppe dans le cylindre vapeur par ces nervures, fait le joint de la faon suivante (feg. 59)

Fia. 59.

Fia. 60.

Cylindre 4 machine marine.

Les nervures sont tailles de faon que, les deux surfaces tant appliques l'une contre l'autre, il reste disponible un" cavit annulaire A. Dans cette cavit A on coule du mastic de fonte qui empche tout passage. Comme ce mastic se dcompose par la chaleur, on le protge par une bague en bronze, B. En f et r' (fig. 58), les fonds doivent toucher exac-7 tement le cylindre, afin qu'il n'y ait pas de dplacements possibles du tube de frottement. On effectue le serrage, chaud, afin de mnager l'espace ncessaire la dilatation. Dans les machines marines importantes, dans lesquelles le frottement devient considrable, pour viter qu'il se produise du jeu, on munit le tube de frottement d'une bride BB, (fig. 60), qui est visse sur le fond du cylindre avec joints au mastic de fonte. Aucun dplacement ne peut alors se produire. Les conduits d'amene de vapeur A, A se trouvent lgrement allons, par le fait qu'ils doivent dboucher l'intrieur de la bride BB,.

ORGANES

DE

LA

MACHINE

A VAPEUR

143

Dans les machines

quatre distributeurs

(fig. 61), les boftes

Fio. 61.

Cylindre de machine quatre distributeurs.

de vapeur sont places aux extrmits

du cylindre,

et la dis-

f-io. 62.

Cylindre de locomobile.

tribution peinent

se fait par les robinets d'admission A, AI et d'chapet l'enveloppe sont E, Et. Le tube de frottement

144

MACUIxN.ES

A.

VATECR

munis tous deux de mortaises annulaires m, pratiques sur les faces d'about f, fu parfaitement dresses. Les botes munies d'un tenon vapeur ont leurs faces correspondantes m. Une bande de circulaire pntrant dans les rainures caoutchouc, interpose au fond, forme joint. Il suffit, pour cela, de serrer les boulons des brides. Quelquefois, comme dans les locomobiles, pour viter les le cylindre est log dans le dme de vapeur refroidissements, qui forme lui-mme double enveloppe {fig. 62). L'eau de condensation produite dans le cylindre retombe directement dans la chaudire. La disposition adopte peut tre celle indique sur la figure 62; T est le tiroir, P la prise de vapeur actionne par le tiroir L, l'aide du volant V. Le dme est en fonte et se fixe sur la chaudire C, l'aide d'une collerette. Dimensions du cylindre. Soit D le diamtre millimtres L'paisseur de la paroi est: du cylindre

en

l'paisseur

des brides est

la bride du couvercle a pour paisseur l'embotement du couvercle est D' = D-fl0l5.

e; le diamtre

de

Le jeu fond de course entre le piston et le cylindre est de 4 5 millimtres pour les petites machines' et S 10 millimtres pour les grandes. Le diamtre des boulons qui assemblent. les fonds du cylindre est gal e. On a vu qu'il pouvait y avoir, un moment Purgeurs. d'eau provenant des donn, dans le cylindre, accumulation condensations et du primage. Cette eau peut causer de graves

OIKiANUS

DE

LA

MACIilNE

A

VAPEUR

141

inde fonctionnement par son incompressibilit, de l'action nfaste que sa prsence exerce dpendamment au point de vue conomique, et de la gne au mouvement de du piston qu'elle provoque. Il est donc indispensable l'extraire. Dans ce but, on munit le cylindre de deux robinets purgeurs placs sur le couvercle et sur le fond. Un troisime robinet, plac sur la paroi du cylindre et en gnral au point haut, sert introduire de l'huile ou les matires grasses destines la lubrification du piston pour viterlesgrippemenls et chauffements. de l'eau contenue, en On peut se dbarrasser naturellement sur la gnratrice infrieure plaant l'orifice d'chappement du cylindre, si celui-ci est horizontal. L'eau qui s'accumule dans le conduit, en raison de son poids, est chasse chaque coup de piston. Les robinets purgeurs sont non seulement ncessaires sur le cylindre, mais aussi sur la double enveloppe, s'il y en a une; ils sont manuvres par le mcanicien, quand celui-ci le juge utile, et quand le bruit particulier de l'eau dans le cylindre indique que la purge devient ncessaire. Pour viter cette sujtion, on a imagin des purgeurs automatiques qui fonctionnent ds que la quantit d'eau atteint nn volume dangereux.- Ils n'ont pas toujours donn les rsultats attendus, d'autant plus que le mcanicien, comptant ralentit sur ce point sa suralors sur leur fonctionnement, de ces purgeurs sont analogues veillance. Quelques-uns aux purgeurs flotteurs ou dilatation, qui ont t dcrits ils servent d'ailleurs dans le volume de Chaudires vapeur remplir le mme but. accidents

4.

PISTONS

ET garnitures

Les pistons, qui constituent la paroi mobile agit la vapeur, se composent de trois parties coys du piston, formant la cloison proprement destine transmettre le mouvement du pistonMACHINES A VAPEUR

sur laquelle distinctes: le dite; la tige, au dehors; etiO

146

MACHINES A VAPEUR

la garniture, qui assure l'tanchit piston, entre celui-ci et le cylindre.

du joint au pourtour

du

Le corps du piston, qui est toujours en Corps du piston. fonte, peut tre form d'une seule pice ou de deux pices La figure 71 donne un exemple de piston fait rapportes. en deux pices munies de nervure, et qui, une fois runies, de la garniture. laisse un vide ncessaire l'emplacement Si le piston est fondu d'une seule pice (fig. 69), le vide intrieur compris entre les deux cloisons du piston ne peut tre obtenu que-par des noyaux qu'il faut enlever aprs la coule. A cet effet, des trous sont mnags dans les cloisons; on ferme ces trous ensuite par des bouchons tarauds. La figure 6;; donne encore un exemple de piston, fait d'une seule pice, mais dans lequel la garniture est maintenue par une plaque annulaire a, serre par des boulons. Pour les machines grande vitesse, le piston doit tre aussi .ger que possible; on emploie alors un piston form d'une seule cloison, ou piston sudois (fig. 63). La surface la'.craie de ce piston est suffisamment large pour recevoir la garniture; il en rsulte alors an espace e, qui constituerait un espace mort considrable, si l'on ne prenai t la prcaution Fin. 63. Piston sudois. de munir le cylindre d'une encoche circulaire, destine recevoir la partie correspondante du piston. Quand les pistons sudois sont employs dans des machines verticales, il faut toujours avoir soin de diriger vers le bas la partie creuse du piston pour empcher l'accumulation de l'eau provenant de condensations. Ce dpt d'eau incompressible pourrait amener, en effet, la rupture du fond du cylindre. Les pistons creux ont donn parfois lieu des explosions, ,assez rares d'ailleurs, dont on ne s'explique pas bien la nature. On suppose que des matires grasses ont pu pntrer, par capillarit, dans l'intrieur du piston travers la paroi, et par leur dcomposition ont provoqu la rupture.

ORGANES

DE

LA

MACHINE

A

VAPEUR

i47

Le chanvre et le bois, employs Garnitures de piston. autrefois pour garnir les pistons, sont abandonns aujouractuelles sont exclusivement mtald'hui. Les garnitures en fonte, en acier ou en bronze. Elles peuvent tre liques formes de bagues ou segments de bagues, fondues en et presses contre mme temps que le tube de frottement la paroi du cylindre, par des coins ou des ressorts. Des La figure 64 donne un exemple de ces dispositifs. coins c, presss par des ressorts r, repoussent contre la paroi les segments S. Pour empcher la vapeur de passer

Fio. 64.

Fio. 65.

par les joints j, on a soin de superposer deux bagues b, b'. (fig. 65) en croisant les joints. Les bagues sont serres l'une contre l'autre, par la pice a maintenue par des boulons. Il faut qu'il y ait tanchit entre les deux segments et entre le segment et le piston ce serrage doit donc tre suffisant, sans tre trop considrable, afin de permettre le jeu des ressorts. Dans ce piston, la garniture Piston Lancastre [fig. 66). est presse contre les parois par une srie de ressorts circulaires que l'on voit dans la figure. On emploie plus gnralement des aujourd'hui Fca. 6C. bagues de section rectanPiston Un'ouln. formant ressort gulaire naturel. Ces bagues sont coupes dans un cylindre vertical

148

MACHINES A VAPICK

dont l'paisseur est variable (fig. 67); on-les coupe ensuite suivant leur section minima, et elles s'cartent alors naturellement, en pressant les parois du cylindre.

Flo. 07.

Fia. C8.

Piston bagues excentre*.

La figure 68 donne un exemple de cette disposition bagues excentres, applique un piston creux. On met gnralement deux bagues l'une au-dessus de l'autre. Dans ce systme, les Garniture Ramsbottom (fig. 69). qu'elles sont bagues sont de section constante, c'est--dire coupes dans un cylindre d'paisseur constante et dont le diamtre est plus grand que celui du cylindre vapeur. Elles sont en fonte dure et leur hauteur varie de 20 25 millimtres. On en dispose plusieurs au-dessus l'une de l'autre.

Fio. 69.

Piston Ramsbollom.

Fis. 70.

Joint brin.

Le joint de ces sortes de Lagues est un joint bris indiqu -Mir la figure 70 et destin assurer l'tanchit. Derrire le joint se trouve dispose une petite plaque qui est fixe l'une des extrmits et coulisse st l'antre.

ORGANES

DE

LA

MACHINE

A

VAPEUR

149

On conoit que la vapeur qui viendrait il. fuir au pourtour d'une bague se dtendrait entre celle-ci et la suivante, en perdant de sa pression et que, par suite, L'importance de la fuite diminuera de bague en bague jusqu' devenir nulle la assurer dernire. Quatre bagnes suffisent gnralement l'tanchit complte. Piston Sulzer (fig. 71). en deux pices, et la se compose garnilure de deux bagues sa, en fonte, presses contre la surface du cylindre par une bague en acier b. Les deux bagues.de fonte sont presses l'une contre l'autre par suite du serrage effectu l'aide de l'crou e de la tige sur l'embase conique Dans ce systme, le piston 'est

Fio. 71.

Piston Sulzer..

L'paisseur du piston varie gnpaisseur du piston. mais ce qui le ralement en mme temps que le diamtre, dtermine repose plus sur une ncessit de rsistance que sur une condition d'utanchit. Pour mettre en place les Mise en place des pistons. pistons, on se sert d'une lame enfer feuillard (fig. 72) capable les bords du cercle ainsi d'entourer le piston et sa garniture form peuvent tre rapprochs l'aide de boulons. A l'aide de ces boulons, on serre la garniture et on la ramne un diamtre plus petit que celui du cylindre vapeur. On peut le piston entour de son frein (c'est ainsi alors introduire l'on nomme cet appareil) dans le: cylindre; cet effet, a que a, l'entre, ou a mnag dans ce dernier une surlargeur indique snria figure, et que l'on appelle Ventre du cylindre,. Cette entre a pour but, d'abord, comme on vient de le dire, (tu piston dans le cylindre, ensuite de faciliter l'iulruductlo de permettre les aisi-.ges futurs sans avoir changer le;

i50

MACHINES

A

VAPECR

Les brides du frein du piston ont une hauteur plus petite que la hauteur du feuillard lui-mme, de faon que le piston et son enveloppe puissent pntrer dans le cylindre de la quantit IL'.On doit veiller ce que, pcudantle fonctionfonds.

Fta. 72.-

Frein pour mise en place des pistons.

Fio. 73.

du piston, l'arte suprieure m (fig. 73) du se-ment dpasse le bord n Ju plan inclin de l'enlre, afin d'viter a formation d'un redan par suite de l'usure. Ce redan produirait des chocs, des que les articulations des transmissious viendrtient prendre un peu de jeu. L'tanchit du piston est complte au bout d'uu certain temps de service, car les surfaces en contact ont eu le temps de se polir parfaitement par leur frotncment tementrciproque.Onpcut, rendre du s'en reste, compte par l'examen des bagues formant la garniture. Elles doivent tre brillantes parfaitement toute partie mate correspondrait une fuite. -A litre de curiosit,

Pic. 74.

Pistan circulation de Tapeur.

Pistons circulation de

ORGANES

DE

LA

MACHINE

A

VAPEUR

151

il y a lieu de citer une disposition de piston circulation de vapeur pour combattre, comme pour les parois du cylindre, les condensations intrieures. La vapeur est amene par les conduites c, c' et passe de l dans les tubes t; t', qui traversent les fonds par des presse-toupes. Cette disposition, une de prsenter qui a t essaye, avait l'inconvnient d'amener des fuites et d'augmenter grande complication, encore le frottement. Les tiges des pistons sont presque Tiges de pistons. en acier. Elles sont assembles de diffrentes toujours manires. Parfois on les fixe au corps du piston l'aide de portes coniques (fig. 65 et 71), serres par des boulons forcer la tige munie d'une goupills. On prfre aujourd'hui au ou conique cylindrique porte dans son logement On a soin, dixime, l'aide d'une pression hydraulique. cette tige. L'assemde toujours boulonner d'ailleurs, blage se fait 200, c'est--dire une temprature voisine de celle du fonctionnement de la machine. Pour procder une rparation et sparer la tige du piston, on a l'habitude de chauffer le piston sur un feu de bois et de refroidir la lige. La sparation peut alors s'effectuer. Il faut, avant cette opration, avoir soin, si le piston est creux, de dboucher les trous tarauds qui ont servi l'extraction des noyaux, ou bien d'en forer d'autres que l'on bouchera ensuite, afin d'viter les explosions provenant de la pression qu'atteindraient, sous l'inlluence de la chaleur, les huiles et graisses ou l'eau ayant pu, par capillarit, traverser les pores de la

Pour empcher toute Presse-toupes ou stuffing-box. fuite de vapeur entre la tige et l'orifice par lequel elle sort du cylindre, le couvercle est muni d'une boite cylindrique b de fonte avec lui autour de l'orifice; on remplit 75)venue le vide compris entre cette bote et la tige l'aide d'une matire lastique m, appele garniture, que l'on comprime sullisainment au moyen d'un chapeau c et de boulons pour que la vapeur ne puisse pas s'chapper. Les orifices du cylindre et du chapeau sont garnis .de

152

MACHINES

A

VAPEUR

en bronze appels grains, g, pour adoucir le frottement tubes entre le fer ou l'acier de la tige et la fonte du chapeau ou du cylindre. Les grains sont munis d'panouissements qui pntrent dans la bote pour se maintenir fixes et dont les faces externes sont concaves pour que, le serrage chasse la garniture contre la tige. Les garnitures se font en toupe, en chanvre, en coton, en amiante tresse, en amiante avec me en caoutchouc, en fils de cuivre tresss (garFm. 75. Presse-Loupe. niturc Duval). Ces matires joivent tre imprgnes de.matires grasses (suif fondu ou liuilesj,pour viter leur usure rapide. On emploie beaucoup aussi des garnitures en rondelles de bronze ou de mtal antifriction. Ces rondelles sont fendues leur mise suivant une ou deux gnratrices pour permettre en place; dans la bote, on a soin de croiser les joints des rondelles. Les botes toupes ont 8 il:20 centimtres de longueur utile au minimum; au delelles produiraient trop de frottement. l.e serrage de la garniture doit tre arrt juste au moment o la vapeur cesse de fuir. Garniture Brockell (fy. 76). Cette garniture se compose d- t de rondelles mtalliques croissantes, appliques l'une contre l'autre et contre la tige Fio. 76. au moyen d'un sige conique repouss par des ressorts comprims plus ou moins, suivant ncessit,

Presse -toupe Brockell.

garniture

l'aide du chapeau.

0):CANES

DE

LA

MACHINE

A

VAPEUR

i53

Dans ce Garniture Kubler. les rondelles systme (lig. sont formes cha-. mtalliques cune d'un cne annulaire emboit dans un cne creux et empiles les unes sur les autres. Elles peuvent tre serres contre Iw tige l'aide du chapeau. Les surfaces coniques glissent plus ou moins l'une sur l'autre, de faon assurer l'tanchit. Les bagues sont fendues suivant un diamtre, de manire laisser un jeu de 1 millimtre et demi environ, ce qui facildte beaucoup le dmontage.

Fio. 77.

Garniture Kubler.

Si le presse-toupe Graistu'ja des presse-toupes. se Fouve la partie suprieure d'un cylindre vertical, le graissage est trs faciIe; on peut employer la disposition de la figure 75 consistant placer l'huile dans un godet suprieur. Si la machine est horizontale, on peut employer le systme

Fia. 78.

Bague graisser.

Fio. 70. Presse-toupes de machines-pilons.

indiqu dans la figure 8, dans lequel l'huile, introduite par l'ouverture a, vient au contact de la tige, par.l'intermdiaire de-la bague graisser, b, qui est en bronze et constitue

1:i4

MACHINES

A

VAPEUR

d'anneau creux dans lequel se tient l'huile, le graissage s'effectue au milieu de la garniture. dans lesquelles le piston S'il s'agit des machines-pilons, sort par la partie infrieure du cylindre, on emploie la disposition indique dans la figure 79. Le chapeau porte une collerette c, dans laquelle on met l'huile, qui descend par les petits conduits t, t, dans une petite capacit annulaire a, au contact de la tige. On emploie pour le graissage les huiles grasses non siccatives et des corps gras solides la temprature ordinaire, tels que les suifs de buf, de mouton et de boue. On emploie et des huiles fluides pour le graissage des presse-toupes, des huiles paisses pour le graissage des cylindres. Les suifs doivent tre bien purs et surtout ne pas contenir d'acides pour vtcr du mtal. Les huiles l'attaque minrales, drives des naphtes, telles que les huiles russes, les huiles valvolinc, les huiles valve-ol, sont prfrables aux huiles vgtales (colza) ou animales (pied de buf, pied de mouton, phoque), parce qu'elles ne produisent pas de cambouis ni d'acides gras sous l'influence de la chaleur. La qualit des matires graissantes ayant une grande d'une machina, importance sur la dure et le fonctionnement la soumettent des conditions les grandes administrations physiques et chimiques dont le cahier des charges de la Ville de Paris, indiqu l'Appendice, donne un exemple. une sorte

5.

OltGAXES DE TRANSMISSION

Les organes qui servent transformer le mouveinentrecticirculaire sont les ligne alternatif du piston en mouvement balanciers, les parallloprammes articuls, les bielles, les manivelles et les excentriques. On doit y ajouter les glissires et guides-destins assurer le mouvements. rectiligne du piston. La disposition Balanciers et paralllogrammes articuls. des balanciers-a t indique dans le paragraphe 1 du prsent chapitre.

ORGANES

DE

LA

MACHINE

A VAPEUR

155

La figure 80 donne; en plan, coupe et lvation, un balancier en fonte tel qu'on les construit ordinairement. Dans une machine simple effet, le piston pourrait se relier direc-

Km. 80.

Balancier en Tonte..

tement comme il faut et tirer cul de

l'extrmit du balancier une chane; mais, dans une un organe rigide pour que le balancier; cet organe est Walt. de Watt. Son,

par un organe flexible machine double effet, le piston puisse pousser le paralllogramme artiest le suivant

Paralllogramme

principe

Fia. 81. Si deux leviers OZ, OT (fa. 81) sont runis par une bielle zr,

156

MACHINES

A VAPEUR

condition que les dplacements angulaires ne soient pas le point M, milieu de il', peut tre considr considrables, comme dcrivant une ligne droite. En ralit, la courbe a la forme d'un 8; mais, pour de faibles amplitudes et des positions convenables, la trajectoire dcrite est sensiblement rectiligne.

Fin. 8t

Si on prolonge 0'l' (fig. 82) d'une quantit rK = OT,si l'on ll'! sur les deux forme ensuite un paralllogramme cts Kf et IV et que les points K, K' et soient. des articulations, la ligne K'O' passe par le point M milieu de ll'; le point M est au millieu de K'O'. Le point K' dcrira une courbe semblable MI par rapport 0, c'est--dire, pour une ligne droite. de faibles dplacements angulaires, On attache alors au pointK' la tige dupistonvapeuretau point M la tige du piston de la.pompe air. La ligne KO' est, en l'espce, l'axe du balancier, et le point l' est le milieu du On retrouvera, sur la figure 8, donnant demi-balancier. l'ensemble de la machine double effet de Watt, la ralisation du paralllogramme de Watt (p. 16). Le colonel du gnie Peaucellier a rsolu rigoureusement le problme dont Watt n'avait qu'approximativement donn la solution, l'aide d'un systme articul de cinq tiges; son appareil est peu employ. La tige du piston se Crosse et glissires du piston. son axe, appele termine par une traverse perpendiculaire crosse ou crossette. Les figures 83, 84 et 85 en donnent des exemples. Les formes et les dispositions des crossettes sont, d'ailleurs, variables. C'est aprs la crossette que vient se fixer

ORGANES

DE

LA

MACHINE

A

VAPEUR

157

la fourche de la bielle. Elle porte ses extrmits des coulisseaux qui se meuvent dans des glissires appropries.

Fio. 83.

D'autres fois la tte du piston est fixe sur un patin (fig. 85) La surface pris dans une glissire qui l'lreint compltement. infrieure de ce patin est forme par une plaque mobile,

Fio. 84.

taille en forme de demi-coin tenue par une vis de rglage.

et dont la position est main-

Fia. 85.

On peut se rendre compte des efforts que subissent les glissires et les coulisseaux.Soient OM (fige 8) la manivelle, MN la bielle dans une position quelconque; xy la surface de la glissire, et NQ la

158

MACHINES

A

VAPEUR

tige du piston. peut dcomposer

Celle-ci transmet suivant

une pression

R que l'on -