DIVERSES APPLICATIONS DES SOUPAPES ANNULAIRES

Extraites du Bulletin de la Société phiUmiathique.

Ces notes peuvent être présentées ici, comme des pièces justificatives, relativement à ce que j'ai proposé à diverses époques pour l'emploi des vannes annulaires. Elles ne sont pas d'ailleurs sans intérêt à cause de leur application à différentes machines hydrauliques et des recherches historiques auxquelles elles ont donné lieu.

Séance du 28 février 1846^ Journal Hnstitat.

«M. de Caligny communique des remarques sur la généralité des applications dont est susceptible la disposition d*une soupape annulaire, qu'il a depuis longtemps communiquée à la société comme un moyen d'éviter toutes les chances de coups de bélier dans le mouvement des grandes colonnes liquides, parce qu'elle ne ferme jamais les sections transversales des tuyaux.

i< On a plusieurs fois proposé, peut-être avant moi-même, d'employer la force vive de l'eau d'une écluse de navigation soit à relever une partie de cette eau à des niveaux plus élevés, soit à puiser de l'eau dans le bief inférieur. Cette idée est trop naturelle pour avoir aucun mérite(l). Maiselle ne contient que l'énoncé d'un problème sans en offrir la solution qui ne pouvait être obtenue

(1) Voir, p. 599 et suivantes, les recherches historiques sur ce sujets faites depuis la pablication de cette note.

qae par une application de la soupape annulaire, analogue à Tane de celles qui ont été indiquées, dans les séances des 30 novembre et 14 décembre 1844, et dans la séance du 19 février 1842. J'avais déjà décrit et dessiné mon idée principale sur cette soupape dans un mémoire présenté à l'Académie des sciences en 1837, et qui doit être publié dans le Recueil des savants étrangers. Ce mémoire contenant des matières assez variées, les commissaires ne s'oQçupèrent pas spécialement de ce point particulier. Je dois donc rappeler que, depuis cette époque, M. Poncelet m*a emprunté cette idée dans un rapport du 19 février 1845; il m*a cité en l'honorant ainsi de son suffrage et la présentant comme applicable à l'appareil dont il s'occupait alors. (Voir aussi le compte-rendu de la séance du 4 janvier 1845.)

« M. Jappelli a présenté à l'Académie des sciences, en 1835, une ingénieuse pompe qui a été l'objel d'un rapport de M. Navier, inséré avec la figure dans les Annales des ponts et chaussées, second semestre de 1836, auxquelles je renvoie pour abréger. U suffit senleraent de remarquer ici que cet appareil à flotteur contient une idée intéressante, consistant en ce que le flotteur refoulant est alternativement rempli de l'eau d'un bief séparé, par un siphon renversé, le long de la paroi verticale duquel il glisse et qui communique avec ce bief par son autre extrémité, de sorte que dans le refoulement on n'a à vaincre que l'inertie de l'eau par un véritable appareil à niveau constant, tandis que dans l'autre opération la résistance à vaincre est d'ailleurs constante,

« M. Navier a comparé cet appareil à une pompe foulante dont le piston aurait un frottement d'une autre nature, tandis que dans une pompe foulante la résistance est variable, pour les faibles hauteurs de refoulement analogues à celles dont s'occupait M. Jappelli : il y a bien plus d'analogie de principes entre cet appareil et la pompe aussi à double compartiment, décrite dans les ouvrages de Muschembroeck, sous le nom de Jean Paauw, qui lui en avait communiqué un modèle (Voyez Cours de physique, tome m, page 163, planche 56, figure 6, traduction de Sigaud de Lafond, 1769, in-4®). Dans celte dernière pompe le piston est aussi formé d'une caisse mobile glissant alternativement le long d'un tuyau qui y pénètre par dessous. Mais ce n'est point la caisse mobile qui est alternativement remplie par l'eau du bief supérieur, c'est la caisse enveloppante fixe. Dans la pompe de Paauw, il y a au moins une des soupapes attachée à la caisse mobile, tandis que dans la pompe décrite par M. Jappelli, elles sont l'une et l'autre attachées à la caisse enve-

loppante Gze, ce qui est plus simple ; mais dans les deux machines le principe du niveau constant repose sur celui de Tabandon alternatif d'une des capacités par de Teau du bief supérieur (i). La pompe- décrite par M. Jappelli a été réclamée par M. l'ingénieur Borcbard, le 15 février 1836, pour la personne qui, de 1807 & 1809, remplissait les fonctions de secrétaire perpétuel de la Société d'émulation de Marseille. On voit au reste qu'en général les principes de l'hydrostatique sont, comme j'ai eu et j'aurai plus d'une fois l'occasion de le remarquer, bien plus anciens qu'on ne le pense* C'est ainsi qu'en 1809 il y eut une discussion de priorité relativement à l'emploi comme moteur d'un piston de machine à colonne d'eau, disposé de manière à fonctionner verticalement et avec une force constante, en remontant alternativement contre la colonne motrice, alimentée cependant par un niveau constant. Or, on trouve dans le tome Y des Transactions of the Society for the encouragement of the arts and sciences qu'en 1765 Smeaton en avait vu fonctionner avec succès une de l'invention de Westgartb, bien mieux disposée à certains égards, et pouvant même fonctionner en partie par l'action motrice de l'aspiration d'une colonne verticale inférieure an récepteur, ce qui passe aussi aujourd'hui pour quelque chose de bien nouveau.

(Y. pour un développement de ce genre d'idées les pages 883 à 885 et la note page 885.)

a Gueyniveau a depuis longtemps remarqué dans son Essaisur la science des machines, qu'en renversant une pompe on fait un récepteur hydraulique. Cela est évident pour les deux anciens appareils objet de cette communication. Mais alors il faut des soupapes susceptibles de garder l'eau également bien dans les deux sens. Cette raison est sans doute celle pour laquelle M. Jappelli ne l'a point remarqué, si toutefois il ne l'a pas dit dans son mémoire ma-

il) « Pour bien comprendre cette note, il est indispensable de connaître les figures qui y sont rappelées et qui ont été communiquées à la société. La pompe de Paauw est intéressante à cause de son principe ; mais les dimensions de la caisse mobile ne sont pas assez grandes dans lafigure.de Muschembroeck pour qu'on voie bien le but de Tauteur. Au reste, si ce gence d'appareils diminue le frottement entre corps solides, il augmente à certains égards le frottement des liquides et la perte de force vive provenant des évasements introduits dans le système. »

nuscrit italien, qui doit être inséré dans le Recueil des savants étrangers. Or, la diiiîcalté dont il s*agit disparaît, du moins pour l'appareil de M. Jappelli, si Ton emploie les soupapes annulaires dont j'ai parlé. En effet, si l'on jette les yeux sur la figure que j'ai rappelée, on verra qu'alors il sufiira, pour transformer la pompe en récepteur, de supposer que le bief inférieur devienne le bief supérieur, celui qui recevra directement les eaux de la source motrice. L'emploi de ces soupapes ou tuyaux dans divers appareils n'exige pas qu'on perde à chaque période une quantité d'eau analogue à celle qui semble au premier aperçu devoir être abandonnée par leur capacité, une partie de cette capacité pouvant être sans inconvénient occupée au besoin par un corps proéminent dont les dimensions seront réglées de manière à ne pas intercepter le passage utile, sans donner lieu à des coups de bélier.

« Si j'ai fait les remarques précédentes sur la généralité des applications du tuyau soupape môme aux machines qui semblent reposer le plus exclusivement sur les principes de V hydrostatique, on doit comprendre, d'après ce qui a été dit plus haut, que mon but est de coordonner la science, sans avoir l'intention de multiplier ce genre de machines. En effet, pour peu que l'on veuille débiter des quantités d'eau considérables, il est facile de voir qu'on rencontrerait ainsi les inconvénients inséparables des masses de grandes dimensions, destinées à marcher lentement. Or, on s'en débarrassera en diminuant d'ailleurs de moitié le nombre des soupapes, réduites à une seule, quand on laissera au contraire la vitesse d'une colonne liquide se développer librement d'abord sous un piston qui, par des moyens que j'ai indiqués depuis longtemps, sera aspiré à une époque voulue comme le piston d'une machine à vapeur atmosphérique, et relevé au besoin par un contrepoids, si mémo il ne se relève point par le simple jeu du système. » (Voir ci-dessus, page 673 et suivantes.)

Séance du 18 décembre i858.

0 M. de Caliguy a présenté dans cette séance une note sur une combinaison de la soupape de Cornwall^ avec le tiroir dont il avait entretenu la Société, le 20 juillet 1839

« Dans les expériences répétées à l'Ecole des mines en 1837,

devant une commission de l'Académie des sciences, M. de Galigny mettait alternativement le tuyau vertical d'une de ses machines hydrauliques en communication avec un tuyau de conduite dé-

bouchfetnt par Tautre extrémité dans la prise d'eaa^ et avec un tuyau de décharge. Ces deux derniers tuyaux étant horizontaux,

Fun était bouché par le tiroir, quand Tautre était ouvert (Voir,

planche I, figure 3, page 709, etc.)

« M. de Caligny rappelle qu'il a construit des tiroirs de ce

genre, en disposant, aux hauteurs convenables, des pistons annulaires, attachés extérieurement aux tiroirs. Mais les moyens de construction ayant été très perfectionnés depuis Tépoque où il présenta ce tiroir, il croit pouvoir aujourd'hui proposer une modification, évitant toute espèce de frottement du tiroir contre des corps solides, et sur laquelle il n'a peut-être pas assez insisté dans ses premières communications verbales, à cause des difficultés de construction qui pouvaient exister encore à cette époque déjà ancienne.

m 11 propose, au lieu d'employer des pistons annulaires extérieurs avec garniture, de faire ces pistons entièrement métalliques, fondus tout d'une pièce avec le tiroir, et de tailler ces pistons par dessus et par dessous, de manière qu'ils puissent appliquer alternativement une surface conique sur un siège annulaire fixe taillé convenablement. Le mode de fermeture et les ajustages seront parfaitement analogues à ceux des soupapes circulaires en usage.

« La difficulté pratique consiste en ce que plusieurs de ces pièces annulaires, fondues avec le tiroir, devront en môme temps porter sur plusieurs autres pièces annulaires, ou sièges fixés au bout de tuyau fixe ou corps de pompe, dans lequel joue le tiroir, et en ce que la fermeture devra se faire convenablement, non seulement quand le tiroir sera à Tune des extrémités de sa course, mais quand il sera à l'autre extrémité, les faces opposées de ses pièces annulaires extérieures devant s'appuyer contre les sièges fixes. Mais avec une bonne exécution, l'auteur fait observer que ce moyen évite toute espèce de frottement du tiroir, contre des corps solides, sauf celui des guides^ et celui qui pourrait résulter des herbes dans les circonstances où il n'y aurait pas moyen de s'en débarrasser ; qu'il permet d'ailleurs de profiter de l'extrême précision que le principe de la machine à colonne d'eau lui a permis de donner au jeu du tiroir rappelé au commencement de cette note, par le mode d'action alternative des colonnes d'eau sur le fond du tiroir. Dans les expériences répétées à l'Ecole des mines en 1837, c'était un contrepoids qui relevait le tiroir en temps utile. L'auteur rappelle, qu'au lieu d'un contrepoids solide, on peut employer un contrepoids liquide ; c'est-à-dire^ soit une colonne d'eau, dans un

tabe recourbé, disposé au-dessous du corps de pompe, dans* lequel joue le tiroir, soit tout simplement la pression de Teau du bief d'aval, au-dessous du tiroir. Les oscillations seraient alors combinées, ainsi qu'il l'a expliqué depuis longtemps à la Société, et Ta d'ailleurs rappelé d'une manière succincte dans sa dernière communication sur les machines souillantes ou à compression d'air, auxquelles la disposition, objet de cette note, peut aussi être appliquée. La résistance de l'eau au coude brusque de ce tiroir pourra d'ailleurs être atténuée au moyen du système de lames courbes concentriques rappelé dans la dernière séance..... »

Les moyens signalés pour éviter le frottement dans cette espèce de tiroir peuvent être appliqués à une autre espèce de tiroir à piston, indiqués planche YIII, figure 18, il est bien entendu que, dans l'un et l'autre cas, il sera prudent de garnir les sièges tixesde cuir ou de caoutchouc.

Séance du ïQjuin 1849.

tt J'ai communiqué à la Société, en 1848, des expériences sur dd moteur hydraulique à mouvement alternatif et à succion, dans lequel un piston moteur est alternativement aspiré^ au moyen du mouvement acquis^ d'une colonne liquide dans un tuyau disposé au dessous (Voir page 672 et suivantes). Il est à remarquer que, si l'on veut s'en servir pour faire marcher une pompe, qui élève l'eau moins haut qu'une colonne d'eau soulevée par l'atmosphère dans le vide barométrique, une des faces du piston aspiré peut servir de piston élévatoire. Si, par exemple, le piston est employé en descendant à tendre un ressort, celui-ci, en le relevant, peut soulever une colonne liquide qui s'est introduite au-dessus de lui par une soupape, pendant le mouvement en sens contraire. Le piston peut aussi être employé en descendant à dilater l'air d'un réservoir, de manière à rendre sa pression moindre que celle de Pair atmosphérique »

Ces derniers mots contiennent l'indication d'une espèce de ressort à air dilaté. Dans l'appareil que je viens de rappeler, il est convenable que la résistance à vaincre offre le moins d'inertie possible. Aussi, c'est après avoir montré qu'il pouvait d'abord agir sur un ressort que j'ajoutais :

« J'ai déjà eu occasion de remarquer les propriété^ de l'inertie des longues colonnes liquides, considérées comme emmagasinant la force vive à la manière d'un volant. Quand on emploiera ce mo-

leur hydraulique à faire marcher une pompe foulante^ dont la co lonne montante aura un développement suffisant, il ne sera pas indispensable que cette pompe ait deux soupapes. On pourra, dans certains cas, supprimer la soupape destinée à empêcher Teau de retomber. On conçoit, en effet, que si la pression du piston de la pompe foulante est assez grande par rapport au poids d'une colonne d'eau verticale, ayant le diamètre du tuyau montant et la hauteur de ce tuyau, pendant que le piston ne pressera pas la colonne montante, celle-ci n*aura pas le temps d'éteindre entièrement la vitesse qui lui a été imprimée. Or, on peut disposer le rapport desdiamètres des deux pistons de manière à avoir la pression voulue sur Tunité de surface de celui de la pompe foulante. »

Application des soupapes annulaires aux machines à colonne d'eau et à pistons pleins fonctionnant sous de petites chutes.

Le 17 septembre 1849 j'ai présenté à l'Académie des sciences un Mémoire intitulé : Considérations nouvelles sur les machines à mouvement alternatif et à niveaux constants applicables aux chutes motrices (Tune petite hauteur. L'emploi des soupapes annulaires permet de modifier d'une manière intéressante les machines dites à colonne d'eau pour le cas particulier dont il s'agit, quand on n'a besoin que de mouvements d'une certaine lenteur. Je proposais de mettre le piston au-dessous du niveau de l'eau du bief d'aval avec laquelle sa partie inférieure serait toujours en communication. Les deux soupapes annulaires d'introduction et d'évacuation de l'eau motrice seraient l'une et l'autre plus élevées que ce piston. La première se fermerait en s' appuyant par le rebord de son sommet sur un disque toujours plongé dans l'eau du bief d'amont. La seconde intercepterait alternativement le passage, en se levant pour s'appuyer de bas en haut contre une couronne fixe.

Je suppose qu'on lève la soupape d'amont, l'eau motrice

descendra dans le système en refoulant le piston de haut en bas. Quand elle sera fermée, celle d'évacuation s'ouvrira, et comme celle-ci sera toujours plongée dans Teau du bief d'aval, le liquide contenu au-dessus du niveau de ce dernier se trouvera au besoin soutenu par la pression atmosphérique. De sorte que la quantité d'eau occupant Tespace abandonné par le piston passera facilement au bief inférieur, si le piston est relevé par un contrepoids, sans qu'on ait à se préoccuper de la quantité d'eau contenue dans la soupape annulaire supérieure. Il n'est donc pas même nécessaire que celle-ci soit plongée au-dessous du niveau d'aval, pouvant même être près de celui d'amont, pourvu que cela n'empêcbe pas ce dernier de rester assez sensiblement constant, d'autant plus que l'air ne doit pas entrer dans le système.

Il est à remarquer que le mouvement acquis de bas en haut par le piston dans les appareils de ce genre, quand la soupape d'introduction s'ouvre, n'aurait pas les mêmes inconvénients que si le liquide, rentrant alors au bief d'amont, n'avait point la liberté de se répandre, et, si Ton peut s'exprimer ainsi, de rayonner de tous les côtés.

On sait que, pour les petites chutes motrices, on a proposé des machines dites à piston creux ^ c'est-à-dire dont la soupape d'introduction est dans le piston, ce qui est une cause évidente d'étranglement. Or, on peut avoir des orifices de sections beaucoup plus considérables au moyen de soupapes annulaires et d'un piston plein (1).

(1) Je n'entrerai pas ici dans les détails d'exécution voulant seulement appeler l'attention sur quelques principes sans y attacher d'ailleurs autant d'importance qu'à ceux qui ont été signalés dans cet ouvrage pour des pistons alternativemeot aspirés. Il suffitau reste de rappeler notamment le curieux balancier hydraulique employé par Dénisart et de La Deuille, les inventeurs de la machine à colonne d'eau, et dans lequel une même masse de liquide part alternalivement d'une extrémité à l'autre de ce balancier, qui par cette raison achève sa course de lui-même quand une de ses extrémités a été relevée au-dessus du plan horizontal, de sorte qu'il peut agir avec précision à l'instant

On peut faire fonctionner deux pistons marchant en sens opposés au moyen de deux soupapes annulaires, l'une et l'autre étant au-dessus du piston inférieur et au-dessous du piston supérieur. Je suppose la soupape d'évacuation ouverte, le piston supérieur étant toujours plongé dans U bief d'amont avec lequel il communique par une de ses bases. Il descendra en vertu de la pression qui s'exercera au-dessus de lui et de l'aspiration de la colonne d'eau qui est au-dessous de lui. A cette époque, si le piston inférieur est descendu, il remontera au moyen d'un contrepoids parce qu'il sera en communication des deux côtés avec Teau du bief inférieur.

Lorsqu'on fermera lasoupape d'évacuation et qu'on ouvrira celle d'amont, l'eau du bief supérieur poussera de haut en bas le piston inférieur, et le piston supérieur se trouvant des deux côtés en communication avec l'eau du bief d'amont, sera relevé par un contrepoids. Il est bien à remarquer que ces diverses manœuvres supposent les vitesses des pistons assez petites pour que les pressions, qui doivent alternativement permettre de les relever, puissent en temps utile se contrebalancer d'une manière convenable {i).

▼onla poar ouvrir ou fermer une soupape. Ce balancier mis en mouvement par la tige d'un piston, pouvant être disposé beaucoup audessus d'un corps de pompe, jouit de la propriété de pouvoir fournir des courses considérables, même au moyen d'une petite chute, à cause des points d'application que l'on choisit pour la tige qui peut le faire monter, en lui laissant la liberté d'achever sa course, étant abandonné à lui-même.

(1) Je dois dire que l'idée de faire contrebalancer alternativement des pressions pour permettre à des pistons de se relever, a été depuis longtemps signalée par Westgarth pour des moteurs hydrauliques à niveaux constants. Il est bien entendu que ce qui vient d'être dit sur ces combinaisons de pistons pleins a principalement pour but de nouvelles applications des soupapes annulaires. Mais si les principes de l'hydrodynamique sont en général plus nouveaux que ceux de l'hydrostatique, les combinaisons nouvelles de celte dernière doivent aussi être signalées. Les pages 879 et 880 pourraient occasionner des méprises ayant dû être reproduites textuellement.