MACHINES A ÉLEVER L’EAU

Pompes.

Les pompes se subdivisent en pompes aspirantes , pompes aspirantes et foulantes , et pompes foulantes. Tous les systèmes de pompes en usage se rapportent à l’une de ces trois séries.

La pompe aspirante (fig. 61) se compose d’un cylindre a parfaitement alésé intérieurement pour recevoir à

frottement un piston b , muni de deux soupapes ou clapets c c qui peuvent s’ouvrir de bas en haut. Au bas de ce cylindre-, appelé corps de pompe, est fixé un tuyau e, dit d’aspiration, qui muni d’une soupape d, à sa jonction avec le corps de pompe, se prolonge en contre-bas, pour plonger dans le puisard ; la partie inférieure de ce tuyau d’aspiration porte un grillage , ou est percée de trous pour donner passage à l’eau , et intercepter l’introduction de tous corps étrangers.

Quand un coup de balancier fait relever le piston de bas en haut, on aspire l’air renfermé dans le tuyau d’aspiration ; après plusieurs coups , le vide se fait dans ce tuyau ; et en vertu de la pression de l’air extérieur sur le niveau i j du puisard, l’eau est forcée de s’élever dans l’intérieur du tube aspirateur à une hauteur de 10 m 33. Mais comme il est très-difficile de faire le vide complet dans le tuyau d’aspiration, la quantité d’air qui y séjourne fait résistance à l’air extérieur, et il ne faut compter dans les meilleures pompes que sur une hauteur de 10 mètres au plus ; c’est la plus grande élévation que l’on doit donner au tuyau d’aspiration , depuis le niveau de l’eau jusqu’au bas du corps de pompe (1).

Le vide étant fait dans le tuyau d’aspiration, l’eau s’y

(I) Il esl à remarquer que la pression de Pair atmosphérique pour élever les liquides dans le vide est en raison inverse du poids des liquides ; ainsi cette pression, qui est égale à 1 k. 033 par centimètre quarré, fait élever dans le vide l'eau à une hauteur de 10 mèt. 33, tandis que la même pression sur le mercure, ne le fait élever qu'à 0 mèt .76, parce que la pesanteur spécifique du mercure est 13 fois 59 celle de l’eau. Si l’air pressait sur un liquide plus léger que l'eau, il élèverait dans le vide ce liquide à une hauteur au-dessus de 10 mèt. 33, déterminée par i'excôs de pesanteur spécifique de l’eau sur ce liquide.

élève et vient occuper tout l’espace entre le niveau de l’eau ij et le dessous du piston ; dans cette ascension la soupape inférieure d du corps de pompe s’est ouverte par la poussée du liquide, de bas en haut. En faisant

redescendre le piston b , l’eau qui se trouve dans le corps de pompe ferme la soupape d, et fait ouvrir les soupapes ce où elle prend passage pour s’échapper par le dégorgeoir. Quand la pompe est ainsi amorcée, l’ascension de l’eau se continue par la manœuvre du balancier. Pour une pompe nouvellement construite il faut donner plusieurs coups de balancier avant d’obtenir le jet , mais quand la pompe sert journellement , elle conserve son eau, et au premier coup de balancier elle s’échappe par le dégorgeoir.

Cette pompe simplement aspirante doit toujours être placée à moins de dix mètres d’élévation au-dessus du niveau de l’eau dans le puits.

rompe aspirante et foulante .

Ce système de pompe est généralement employé pour élever l’eau à une grande hauteur. Son application est générale dans les habitations , pour élever l’eau aux divers étages , et dans les mines pour les épuisements.

Cette pompe (fig. 62) diffère de la précédente en ce que le piston est plein sans soupapes. Le dégorgeoir est placé au bas du corps de pompe et prend le nom de ► tuyau de refoulement. A la jonction latérale de ce tuyau • c avec le corps de pompe a se trouve une soupape b

s’ouvrant de dedans en dehors. Le tuyau d’aspiration e conserve à sa jonction avec le corps de pompe sa soupape d, et se termine à la partie plongeante, par une pomme d'arrosoir pour ne livrer passage qu’à l’eau du puisard.

La pompe étant ainsi disposée , on manœuvre le balancier ; alors le vide se fait dans le tuyau d’aspiration e , et l’eau s’élève jusqu’au dessous du piston. Quand on fait descendre ce dernier, le volume d’eau que renferme le corps de pompe, presse sur la soupape d pour la fermer, et fait ouvrir au contraire la soupape 6, pour s’élever dans le tuyau de refoulement. En continuant la manœuvre du balancier , le niveau de l’eau s’élève de plus en plus dans le tuyau de refoulement, à la partie supérieur duquel elle finit par s’écouler , quelle qu’en soit d’ailleurs la hauteur.

Ainsi au moyen de la pompe aspirante, on place toujours le corps de pompe à moins de 10 mètres d’élévation au-dessus du niveau de l’eau dans le puisard , pour par l’effet du vide et de la pression de l’air extérieure aspirer l’eau à cette hauteur, puis au moyen du tuyau de refoulement et d’un piston plein, on élève l’eau à des hauteurs indéfinies.

Pompe foulante.

Pour ce système, le corps de pompe a (fig. 63), plonge dans une bâche d’eau, il porte à la partie inférieure une soupape dormante, qui, dans l’ascension du piston, permet à l’eau de prendre son niveau dans le corps de

pompe. Dans la descente du piston l’eau presse sur la soupape de refoulement ou de retenue , l’ouvre et se précipite dans le tube de refoulements pour être lancée à une hauteur qui dépend de la force motrice.

Ces pompes foulantes servent aux arrosements des jardins et des rues ; les pompes à incendie reposent sur ce système, et portent généralement deux corps ou cylindres qui communiquent au même jet; l’un des pistons aspire pendant que l’autre refoule.

Dans ces divers systèmes de pompes, l’écoulement du jet a lieu par saccades ; pour le régulariser on emploie un réservoir à air qui rend le jet continu. Ainsi l'eau , au lieu de s’élever immédiatement dansle dégorgeoir, entre dans une capacité remplie d’air (fig. 6i) et munie d’une soupape s’ouvrant de bas en haut. Quand l’eau arrive dans le réservoir et toujours en plus grande quantité qu’elle n’en peut sortir, l’air qu’elle refoule à la partie supérieure réagit par son élasticité sur le niveau de l’eau, qui ne pouvant redescendre à cause de la soupape qu’elle tend à fermer , s’élève dans le tuyau du dégorgeoir. La tension de l’air comprimé fait que l’écoulement de l’eau est continu au lieu d’être intermettent.

C’est sur ce principe que l’on établit les pompes à incendie ; les deux corps de pompe communiquent alternativement avec Je réservoir à air, et l’eau s’échappe en un jet continu.

Effet utile des pompes.

Quelle que soit la hauteur à laquelle une pompe élève

l’eau , quels que soient le diamètre et l’inclinaison 4es tuyaux d’aspiration et de refoulement, le piston porte toujours une charge d’eau égale au poids d'une colonne d’eau qui aurait pour base celle du piston même et pour hauteur la différence de niveau entre la surface du puisard et le point de versement.

Mais outre la charge de ce piston , il faut avoir égard aux résistances passives suivantes : 1° le frottement du piston contre les parois du corps de pompe, 2° le frottement de l’eau contre ces mêmes parois et contre celle des tuyaux , 3° la résistance que le liquide éprouve lorsqu’il entre dans le tuyau d’aspiration et qu’il passe par l’ouverture de la soupape dormante, 4° enfin l’inertie de la masse d’eau à mouvoir.

Si à ces résistances on ajoute les frottements des diverses parties du balancier, on peut compter que l’effet utile n’est au maximum que les 0,75 de l’effet moteur; ce qui nous conduit à la règle suivante : multipliez le poids de la eolonne d’eau engendrée en une oscillation du piston par la hauteur comprise entre le niveau de l’eau dans le puisard et le point de versement, le produit exprimera l’effet utile de la pompe, et ce résultat multiplié par 1,33 exprime le travail moteur qu’il faut employer.

Exemple : Quel est l’effet utile et par suite l’effet moteur à employer pour une pompe dont le piston a 0“24 de diamètre avec une course de 0 m 15, ce piston faisant 30 oscillations par minute, l'élévation de l’eau se trouvant à 25 mètres du niveau du puisard :

Surface du piston = 0,785 x (0,24) a = 0 mc i0452.

Volume d’eau engendré par coup de piston = 0 m i 04-52 x 0,15 = 0 mc 00678.

Volume par seconde — = 0 mc 00339.

ii 2t :U

Poids dd volume par seconde

= 0,00339 X 1000 = 3 k 39 ou 3'^ 39.

Effet utile

= 3 k 39 X 25 m = 84 km 75 OU — Icheva'-vapeur^

Effet moteur à employer par seconde

= lch.-yap.l3 X 1,33 = lch. vap. 50 .

Quand une pompe est dans un parfait état d’entretien et de confection , le volume d’eau lancé est peu différent du volume d’eau engendré par le piston. Cependant comme les pompes sont rarement dans cet état de perfection , on évalue généralement que le volume d’eau lancé n’est que les 4/5 du volume engendré par le piston.

D’après ce déchet, connaissant la course du piston, on calculera le diamètre à donner à un corps de pompe pour fournir une quantité d’eau déterminée par la règle suivante : Divisez le volume en mètres cubes, par 0,785 et par la course du piston , multipliez la racine quarrée de ce quotient par 1,1, le produit exprimera le diamètre à donner au piston pour lancer le volume déterminé.

Exemple : On veut par un piston dont la course est de

0 n 15 lancer un volume d’eau de 6 liL 78 par coup de piston, quel est le diamètre à donner au piston.

./0 mc 0p678

y wor v/ a

Il est à remarquer que le diamètre des tuyaux d’ascension n’entre pas dans les calculs ; cependant dans les pompes à incendie et autres on peut se baser sur les proportions suivantes : Le diamètre des tuyaux d’aspiration et d’injection sera les 2/3 du diamètre du corps de pompe; les ouvertures des soupapes seront moitié environ de celle du corps de pompe , et la vitesse du piston devra être comprise entre 0 m 16 et 0 m 25 par seconde.

Syphon.

Cet appareil ; qui a pour objet de transvaser les liquides et de servir aux épuisements des mines, est fondé sur la pression atmosphérique qui en est le moteur.

Le syphon se compose (fig. 65) d’un tube recourbé à deux branches d’inégale longueur , plongeant chacune dans deux vases différents.

Pour transvaser le liquide du réservoir A dans le réservoir B, on fait le vide dans le tube recourbé, le liquide s’élève alors, par la pression de l’air sur son niveau, dans la branche h, et s’écoule avec continuité par la branche h' dans le vase B.

Mais la manœuvre du syphon est soumise à plusieurs conditions ; ainsi puisque le vide étant fait dans le tube recourbé , l’eau s’élève par l’orifice c dans la branche

verticale en vertu de la pression extérieure de l’air , il faut que la branche h n’ait jamais une hauteur verticale de plus de 10 mètres; de plus, comme la pression atmosphérique agit aussi sur l’orifice d du vase B pour s’opposer à l’écoulement de l’eau , il faut que la hauteur h ' soit plus grande que celle de la branche h , c’est-à-dire que l’écoulement ne peut avoir lieu si le niveau du vase A n’est pas plus élevé que le niveau du vase B où l’on transvase le liquide.

Le vide peut se faire par l’aspiration, mais on l’obtient généralement en perçant une ouverture au haut du tube recourbé et en remplissant d’eau les deux branches au moyen d’un entonnoir; on bouche préalablement les deux issues inférieures du tube , et quand il est plein on débouche ces orifices, et l’écoulement a lieu.

Vis d’ Archimède. La vis d’Archimède est une machine qui comme les pompes est destinée à élever l’eau ; elle est généralement employée pour les épuisements de fondations et pour les constructions hydrauliques. Elle se compose d’un noyau plein a (fig. 66) traversé par un axe b, et enveloppé d’une chemise cylindrique c qui laisse entre elle et le noyau un espace intermédiaire dans lequel sont disposées des hélices formant cloisons en spirales sur le contour du noyau. Le mouvement lui est communiqué par une manivelle $r, sur laquelle plusieurs hommes agissent indirectement par des balanciers.

L’eau monte dans l’intérieur de la vis en descendant. Ce phénomène se réalise de la manière suivante : en fai-

sant tourner la vis , l’eau descend le long de la cloison spirale et vient prendre son niveau horizontal dans la cloison supérieure, ce qui l’élève pour chaque révolution d’une quantité égale au pas de l’hélice ; mais pour que cet effet ait lieu d’une manière satisfaisante , il faut que la base inférieure de la vis plonge moitié dans l’eau sous un angle d’inclinaison de 30°; que l’air puisse entrer comme l’eau par la partie inférieure de la vis , et que l’angle que l’hélice fait avec l’axe soit compris entre 54 et 70°.

Le diamètre des vis d’Archimède diffère peu de 0 m 50; leur longueur égale douze fois leur diamètre extérieur ou 6 mètres environ, et le diamètre du noyau est le tiers de celui de l’enveloppe , ou 0“i6 environ.

Le rapport de l’effet utile à l’effet moteur n’est dans la vis d’Archimède que 0,60 à 0,65, c’est-à-dire qu’un manœuvre qui en agissant sur une manivelle est susceptible d’un travail journalier équivalent à 6 tm par seconde, ne rend sur cette machine qu’un effet utile de 4 km environ; on estime qu’un homme peut avec une vis d’Archimède bien disposée, élever 15 mètres cubes d’eau par heure à 1 mètre de hauteur , et travailler ainsi pendant six heures par jour.

Noria. Une noria est une machine qui remplace les pompes pour l’élévation de l’eau. Elle se compose (fig. 67) d’une chaîne sans fin a composée de chaînons à articulation, sur chacun desquels sont ajustés des seaux b qui puisent l’eau dans le réservoir inférieur et la déversent dans un bassin. La chaîne s’enroule haut et bas

sur une roue de forme hexagonale dont chacun des côtés est égal à la longueur des chaînons.

Le plateau supérieur reçoit son mouvement d’une roue dentée commandée par un pignon à manivelle. La noria rend en effet utile les 0,55 à 0,60 de l’effet moteur.

Les roues à godets sont des roues pendantes, à la circonférence desquelles sont fixés des seaux ou godets , pour élever l’eau à une hauteur égale au maximum au diamètre de la roue ; le rapport de l’effet utile à l’effet moteur est 0,60 à 0.65 ; le mouvement est communiqué par l’action du courant sur les palettes.

Chapelets. Les chapelets consistent en un tube de bois cylindrique appelé buse , de 4 à 6 mètres de long sur 0 m 13 à 0“16 de diamètre et dont l’extrémité plonge dans l’eau à épuiser ; on distingue les chapelets verticaux et les chapelets inclinés : dans le premier cas le tube est vertical comme les norias , dans le second cas il est incliné comme la vis d’Archimède. Cette buse est traversée dans son axe par une chaîne sans fin , mue et soutenue comme celle des norias et des chaînes à godets, portant de mètre en mètre des grains ou patenôtres garnis d’une rondelle de cuir gras d’un diamètre un peu supérieur à celui de la buse , et soutenus entre deux platines de fer. Cette disposition est celle usitée dans les chapelets verticaux. Dans les chapelets inclinés, les grains consistent en de simples palettes en bois. Les chapelets sont assez employés dans les épuisements pour élever l'eau à plus de 4 mètres de hauteur. Le mouvement est com-

muniqué au moyen de manivelles sur un treuil qui saisit la chaîne dans les anneaux et lui imprime la rotation. Les chapelets inclinés rendent 0,38 de l’effet moteur , et les chapelets verticaux produisent 0,60 environ d’effet utile.

Dans les diverses machines que nous venons de considérer , il est facile de déterminer le rapport de l’effet utile à l’effet moteur; d’un côté l’expérience constate l’effet utile de la machine , d’un autre côté la table C des quantités de travail journalier produites par l’action des moteurs, donne le travail produit par seconde , par heure et par journée. On divise donc le résultat d’expérience par la quantité de travail du tableau dans Je même temps ; le quotient exprime le rapport de l’effet utile à l’effet moteur.

Exemple : On constate par expérience qu’une noria manœuvrée par cinq ouvriers qui agissent sur une manivelle, élève en 1 heure 25 mètres cubes d’eau à 3 mètres de hauteur : quel est le rapport de l’effet utile à l’effet moteur ?

25 mètres cubes élevés à 3 mètres équivalent à 75 mètres cubes élevés à 1 mètre, et un homme produit

-- ou 15 mètres cubes

nar hpnro

15xl000 k = 15000 kilogrammètres dans ce temps.

Or, d’après la table C , un homme agissant sur une manivelle produit par heure une quantité de travail re-

présentée par 6 km x 60 x 60 = 21600 km ; donc - 2 ÏëoO = 0,69 , rapport de l'effet utile à l’effet moteur.

Presse hydraulique. La presse hydraulique a pour objet de transformer une certaine force animée d’une certaine vitesse, en une force beaucoup plus grande animée d’une vitesse proportionnellement plus petite ; elle

rentre donc dans le principe des pouvoirs mécaniques ; mais cette machine est fondée sur le principe physique suivant : La pression des liquides placés dans l’intérieur des vases, est proportionnelle à la surface.

Si un vase plein d’eau, et fermé de toutes parts, a deux ouvertures l’une centuple de l’autre, en mettant à chacune un piston qui lui soit juste, un homme poussant le petit piston , égalera la force de 100 hommes qui pousseront le plus grand piston ; ou en d’autres termes si on place au-dessus du niveau de l’eau renfermée dans le vase , un plateau qui s’y ajuste hermétiquement , en admettant que la pression sur chaque centimètre quarré du plateau soit de 5 kilog. , cette pression se répartira également sur toute la paroi du vase à raison de 5 kilog. par chaque centimètre quarré. Et si on pratique une ouverture de 60 centimètres quarrés sur une partie quelconque du vase, qu'on remplisse cette ouverture par un piston , la pression qu’éprouvera ce second piston sera de 60 x 5= 300 kilog., pression qui croît en raison de la surface du piston.

Ce principe physique de la pression proportionnelle à la surface, dans l’intérieur d’un vase , s’étend aussi aux vases en communication , et de là son application aux presses hydrauliques.

La presse hydraulique (fig. 69) se compose d’un grand piston et d’un petit piston b, agissant dans deux corps

distincts c, d ; le mouvement est donné à la tige du piston b par un levier g, l’eau puisée dans une bâche / est refoulée par le piston ôdans-le grand cylindrée d , pour agir sur la surface du grand piston qui se termine à la partie supérieure par un plateau destiné à presser les matières. '

Dans une presse hydraulique il y a à considérer deux avantages , l’un hydrotastique , et le second mécanique , avantages de puissances, mais avec diminution proportionnée de vitesse.

L’avantage hydrostatique est dans le rapport de la surface du petit au grand piston , l’avantage mécanique est dans le rapport des bras de levier.

Les règles à suivre pour calculer la puissance d’une presse hydraulique consistent à multiplier la force appliquée à l’extrémité du levier par le produit des avantages hydrostatique et mécanique.

Exemple : Quelle est la puissance d’une presse hydraulique dans les conditions suivantes : le rapport du petit bras de levier au grand est comme 1 ; 12 ; le rapport de la surface du petit piston à la surface du grand est comme l’.90; le mouvement est donné l’extrémité du levier par deux hommes qui réunis font un effort de 40 kilog.

P = 40 X 12 X 90 = 43200 kilog.

Il faut bien observer que si la puissance motrice, communique au plateau une pression 1080 fois plus grande

que 40 kil. ce plateau ne s’élève aussi que pace parcouru par la puissance.

de l’es-

Emploi de l'air comme force motrice.

Dans les moulins dits à vent , on utilise la vitesse naturelle de l’air pour moudre les farines, scier les bois, etc. Le vent agit sur quatre ailes montées sur un arbre incliné suivant sa direction ; cet arbre , animé d’un mouvement de rotation, transmet par engrenages la force motrice aux différentes parties de l’appareil.

Mais dans l’industrie manufacturière on distingue deux appareils qui ont pour objet d’aspirer l’air, et de le refouler avec une grande vitesse pour alimenter les fourneaux.

Ventilateur. Le ventilateur est l’un de ces appareils. 11 est employé avec succès pour alimenter les foyers à la Wilchinson des fonderies, en déterminant un tirage par aspiration , et en comprimant l’air à la manière des soufflets de forge.

Le ventilateur comprend deux pièces principales: la caisse ou enveloppe cylindrique a (6g. 70) qui est 6xe, et le volant ou la roue à palettes 6, à laquelle on imprime un vif mouvement de rotation, au moyen de poulies montées sur son axe. Les faces latérales de la caisse portent de chaque côté une ouverture circulaire de 0“50 de diamètre, c’est par cette ouverture que l’air extérieur est aspiré dans le mouvement rapide des palettes , puis refoulé dans un conduit sous forme de buse ou de tuyau, pour de là se distribuer aux foyers.

Les 4 ou 6 palettes qui sont boulonnées aux extrémités de branches en fonte du croissillon ont une lar-

geur presque égale à l’écartement intérieur des joues de la caisse, dans laquelle elles se meuvent comme le le ferait un piston rotatif. Mais leur hauteur dans le sens du rayon doit progressivement être plus petite que le rayon intérieur de l’enveloppe, afin que l’air soit refoulé par chacune des palettes. L’angle que chacune de ces palettes fait avec les bras ou rayons doit être de 25° à 35° pour produire le meilleur effet.

En supposant à l'axe des palettes une vitesse rotative de 1000 tours par minute, la vitesse par seconde à l’extrémité des palettes dont la distance à l’axe = 0 m 45 sera

— çq = 47"1. Cette vitesse serait par

heure de 47 m l x3600 = 169560 mètres. Et si la capacité intérieure de la caisse est de 0 mo 20, le ventilateur enverrait aux foyers un volume de 0 rac 20 x 169560 , ou 33912 mètres cubes d’air par heure.

L’effort qui tend, en vertu de la force centrifuge, à séparer ou disloquer chaque palette, en supposant le poids de chaque palette de 2 k 5, est donné par

ç)krc v f 47ml \ e

F = 0 . , „ — 1256 k 3. Chacune des palettes doit

donc être consolidée sur les bras pour résister à cet

effort.

Machine soufflante. Pour alimenter la combustion des hauts fourneaux , on substitue au ventilateur les machines soufflantes ou soufflets à piston, dont la puissance est beaucoup plus considérable.

Le soufflet-piston mis en mouvement soit par une roue

hydraulique, soit par une machine à vapeur, se meut comme le piston à vapeur dans un cylindre a (fig. 71) muni haut et bas d’une soupape d’aspiration et de refoulement. Dans la descente du piston, l’air est aspiré à la partie supérieure d’un cylindre , et celui de dessous est refoulé dans la buse commune. Dans l’ascension du piston, l’aspiration de l’air a lieu par le bas et il se trouve refoulé par le haut. Ainsi le piston a pour objet, dans son mouvement de va et vient, de refouler, à chaque oscillation, la quantité d’air aspiré dans l’oscillation précédente, et ce mouvement du piston est à double effet, car le piston aspire et refoule en montant et en descendant.

Si l’on suppose la course du piston égale à (PSO et son diamètre à 0 m G0, le piston refoulera dans chaque oscillation simple du piston un volume d’air égal à 0,785 x (0,60) 2 X 0,80 = 0 mc 226. Or si le piston bat 90 coups simples par minute , il refoulera pendant ce temps un volume d’air de 15 m c 82, et par heure 1220'" c 40.

Connaissant donc la quantité d’air à insuffler dans un temps donné, il est facile de disposer les dimensions du cylindre et la vitesse du piston pour produire ce volume d’air, en observant que le rapport du volume d’air lancé à celui qui est engendré est comme 5:7. Le rapport de l’effet utile à l’effet moteur d’une machine soufflante quand la force motrice bien établie est une machine à vapeur ou une roue hydraulique est de 0,50.

Depuis plusieurs années les souffleries à l’air froid sont avantageusement remplacées par les souffleries à l’air chaud , qui produisent un bénéfice de 40 pour % L’air , dans ces appareils , est chauffé par des fourneaux addi-

tionnels , ou plus généralement par la flamme du gueulard.

L’emploi de l’air comme force motrice ou régulatrice reçoit chaque jour de nouvelles applications. Un ingénieur distingué , M. Molinié, vient d’établir un régulateur à air qu’il applique avec le plus grand succès aux roues hydrauliques et aux machines à vapeur , en remplacement du pendule conique de Watt.

ESTIMATION DE LA PUISSANCE d’üN CHEVAL VAPEUR ,