A TUYAUX PLONGEURS ET A COLONNES LIQUIDES OSCILLANTES

Les roues de côté à' coursier plein d'eau ont été depuis longtemps proposées, notamment en 1777 dans V Essai sur les machines hydrauliques par le marquis Ducrest, colonel en second du régiment d'Auvergne, et par Dryden (Voir Treatise of mechanics, par Gregory, 1806, article tide-mills, page 469, planche XXXV, fig. 4 (1).

(i) L'abbé Mann avait proposé de ne mettre que six ou huit aubes & des roues de côté, ce qui ue peut avoir de sens que pour une roue à coursier coulant plein. (Voir Mechaaics for practical men, par Gregory^ 1823^ p», 318.) Pour les chapelets moteurs, l'idée de diminuer le nombre des aubes ou pistons est signalée par Tyer dans le Bepertory of arts t. XXXVI, p. 8 (patente du 2 mai 1818 avec une planche). Quant à celle de leur dooner à chacune une poupe et uue proue, on la trouve, pour les chapelets élévatoires^ daos les dessins de divers auteurs des trois derniers siècles, tels que Ramelli, Wolff, etc. Il est intéressant de voir une seule aube engagée dans le tuyau ou corps de pompe, et n'ayant à surmonter qu'une résistance constante, la partie de la colonne qui résiste par succion augmentant quand l'autre diminue.

De Thiville a depuis longtemps étudié des moyens de varier le débit des chapelets moteurs coulant à plein coursier, et dont le but est lu même que celui des roues de côté à coursier toujours plein d'eau pour utiliser des chutes motrices très variables. 11 donne au

Il ne parait pas que ces roues se soient répandues, excepté peut-être pour les cas de ce qu'on appelait en général rcme de marée ^ dont le but était d'utiliser des chutes motrices très variables. Elles avaient l'inconvénient de frapper avec leurs aubes la surface de l'eau du bief d'amont, dans lequel elles s'enfonçaient directement, et d'éprouver aussi de la résistance dans le bief inférieur, quand le niveau de celui-ci s'élevait à une assez grande hauteur au-dessus de celle à la-

coanier rectiligne de ces chapelets une section qaadrangalaire, de sorte qne deux faces rerticales opposées peavent se rapprocher ou s'éloigner l'une de l'autre^ afta de varier coDTeoablement le débit de l'eau motrice.

Quant à la manière de modifier la largeur des aubes, on peut employer plusieurs systèmes. Il suffit eu ce moment de rappeler que de Thi ville les composait pour ce cas de deux clapets, réunis par une charnière inférieure permettant à l'angle formé par ces deux clapets de s'ouvrir plus ou moins, selon le degré d'écartementdes faces planes verticales dont je viens de parler.

Je me suis aperçu, en m'occupant de mes recherches sur l'histoire de l'hydraulique, qu'il y avait une ancienne disposition de roues de côté à laquelle on pourrait appliquer cette idée de de Thiville, à cause de la verticalité et du parallélisme de deux C&ces planes d'un coursier annulaire fixe, fendu intérieurement pour le passage d'une assez mince couronne, reliée aux bras^ à laquelle sont attachés les pistons de forme qnadrangulaire. {Voir le Traité de Physique de Desaguliers, in-A», 1751, traduction de Pezenas, PL XXXIII, fig. 1, 2 et 3, t. H.)

Ce n'est pas seulement la forme quadrangulaire de la section du coursier qui permet de faire cette application d'un système particulier de vannage; mais c'est la forme dont il s'Agit quand le coursier est annuiaire. Si le fond courbe de la roue était plein et mobile autour de son axe, cela ne semblerait pas permettre d*appUquer« du moins d'une manière aussi convenable, le système de vannage à faces parallèles dont je viens de parler.

Ce qui paraît le rendre pratiquement possible, si l'on fait couler à plein coursier une roue de formes analogues à la roue de côté de Barker décrite par Desaguliers^ c'est que, peudant tout le temps que durera l'écoulement pour un écarlement donné des faces parallèles et verticales, les pièces courbes du coursier seront absolument fixes. 11 est de plus essentiel de remarquer qu'aux époques où se fera la manœuvre deces faces verticales, l'ajustement du fond de la roue réduit à un disque ou à une couronne ne pourra éprouver aucun changement, puisqu'on n'y aura pas même touelié.

quelle Teau sortait de ces roues. La vitesse de cette eau était alors perdue.

Le système que je vais décrire a pour but de diminuer ces deux causes de perte de force vive et d'indiquer d'ailleurs un .moyen nouveau d'employer cette vitesse de sortie. Abstraction faite des services qu'il pourra rendre si Texpérience confirme son utilité pratique, je crois intéressant d*en signaler les principes, pour compléter l'exposition de diverses combinaisons dont sont susceptibles les colonnes liquides oscillantes.

Cette roue, au lieu d'être présentée sous sa forme primitive, pourrait être considérée comme un tambour portant extérieurement un anneau creux de section rectangulaire, partagé en plusieurs tuyaux par des aubes, dont j'indiquerai plus loin la disposition. En amont et en aval de chaque aube des orifices rectangulaires seraient ménagés sur la surface courbe extérieure de cet anneau. De sorte que chaque tuyau partiel serait percé latéralement à ses deux extrémités.

On conçoit déjà que ce système n'éprouverait pas le même genre de résistances que des aubes ordinaires, soit dans le bief d'amont, soit dans celui d'aval. Mais il donnerait lieu à des frottements d'une espèce particulière. Quand un tuyau partiel s'enfoncerait dans le bief d'amont, si l'on n'ajoutait aucune pièce extérieure, l'eau motrice y entrerait latéralement. Mais si cela évitait une percussion, il faudrait tenir compte de ce que le tuyau partiel, devant s'engager dans un coursier, la colonne d'eau qu'il contiendrait serait obligée de prendre assez brusquement la vitesse de la roue.

On va voir comment on peut tourner cette difficulté. Je reproduis d'abord comme pièce justificative un extrait du procès-verbal de la séance de la Société pbilomatbique du 13 janvier 1849. Il suffira pour donner une première idée du principe des oscillations dont il s'agit. L'emploi des lames concentriques que j'ai signalé ensuite dans la séance du « 28 juin 185i, permet d'ailleurs de simplifier beaucoup l'état

de la question, quant à l'entrée et à la sortie du liquide pour chaque tuyau plongeur, en diminuant la résistance de Teau et les irrégularités provenant des mouvements de Tair.

«.... En disposant en amont et en aval du coursier des surfaces fixes ou portions de coursiers secondât res, il résulte du mouvement de la roue que les tuyaux plongeurs sont alternativement ouverts et fermés à chacune de leurs extrémités. De sorte que Teau oscille dans ces tayaux en y produisant des effets d'une espèce toute particulière. Ainsi quand les tuyaux commencent à s'enfoncer andessous du niveau du bief supérieur, leur extrémité infériei^re est bouchée jusqu'à ce qu'elle soit parvenue à une certaine profondeur. Alors cette extrémité^ se dégageant de l'espèce de coursier qui la bouchait, permet à l'eau de s'introduire dans le tuyau par dessous, et de s'élever, en vertu de la vitesse qu'elle acquiert, an-dessus du niveau du bief supérieur. L'eau redescend ensuite et prend graduellement la vitesse du tuyau qui se trouve rempli parce que celle de la roue est moins variable que la vitesse croissante de la colonne dont il s'agit, et dont le sommet se trouve atteint à l'époque voulue si les dimensions de la machine sont bien calculées... En résumé, cette disposition offre l'avantage de faire prendre à chaque colonne liquide, qui entre dans chaque tuyau plongeur, la vitesse de la roue sans changement brusque de vitesse. Cette eau agit d'ailleurs par son poids, soit directement, soit même & la rigueur en partie par succion.

« C'est aussi en vertu d'une oscillation d'une espèce particulière que l'eau sort de la roue. Comme elle a d'abord la vitesse du tuyau qui la renferme an moment où chaque tuyau commence à sortir du bief inférieur, il est facile de voir qu'elle doit, en vertu de cette vitesse, s'élever en partie à une certaine hauteur au-dessus du niveau de ce bief, ainsi que cela a d'ailleurs été expliqué dans les notes de 4845. Elle redescend ensuite, et, en vertu des principes de roscillation, elle abandonne le tuyau jusqu'à une certaine profondeur au-dessous du niveau du bief inférieur. Si donc les conditions sont calculées de manière qu'à cet instant le tuyau soit à peu près vidé^ et vienne boucher celle de ses extrémités qui est devenue inférieure, en s'engageant dans la portion du coursier secondaire décrit plus haut, on voit que le travail employé à produire cette dénivellation au-dessous du niveau du bief inférieur trouve directement son application. ... »

Pour bien comprendre cette ancienne note, il faut remarquer que la surface courbe formant un coursier supérieur doit toujours s*éiever au-dessus du niveau d'amont. Ce système ne paraissant devoir être étudié que pour des niveaux très variables, il sera convenable qu'on puisse changer la hauteur à laquelle sera cette surface. Le sommet du tuyau partiel qui s'enfoncera au-dessous du niveau du bief supérieur sera animé d'une certaine vitesse, de sorte qu'il tendra à se rapprocher de Teau qui y sera déjà entrée. 11 faut, pour que les conditions soient bien remplies, que la vitesse de cette eau4)uisse changer de direction et devenir assez sensiblement égale à celle du tuyau partiel, c'est-à-dire relativement à son axe courbe.

La colonne liquide dont il s'agit doit d'abord être réduite au repos en vertu de son ascension. On conçoit donc que, si alors elle n'est point parvenue au sommet de ce tube, celuici qui descendra pendant qu'elle redescendra elle-même, pourraavoir une vitesse combinée de manière queson sommet atteigne la colonne liquide en temps convenable. Si les di mensions de l'appareil et les vitesses sont bien combinées, son orifice latéral supérieur pourra alors s'engager derrière la surface courbe précitée, de sorte qu'il descendra plein ou à très peu près.

Pour bien se rendre compte des effets dont il s'agit, il est intéressant d'étudier un peu les détails.

Si les pressions latérales peuvent être diminuées en moyenne à cause du mouvement oscillatoire, ainsi que cela a été expliqué dans la première partie, pages 158 et suivantes, il pourrait sembler au premier aperçu qu'il y aurait en principe quelque désavantage dans ce mode d'introduction de l'eau. Mais la quantité de travail qui ne sera pas employée d'abord àpousaer directement la roue, se retrouvera plus ou moins dans l'ascension de l'eau au-dessus du niveau d[*amont. De sorte qu'en définitive, ce principe n'est pas défectueux. Mais il faut tenir compte de quelques résistances

passives dont Texpérience seule peut donner la valeur exacte.

Quand le tuyau partiel se dégagera du coursier dans le bief d'aval, Teau qu'il contiendra conservera la vitesse de la roue tant que son extrémité postérieure ne sortira pas du coursier. A partir de cette époque, si l'autre extrémité de ce tuyau est sortie de Teau d'aval, il s'élèvera de l'eau au-dessus du niveau du bief d'aval, ce qui diminuera la vitesse de la colonne liquide. Il sortira donc une partie de Teau par l'extrémité inférieure.

Il y a deux choses à considérer, quant à la résistance que peut rencontrer la roue dans le bief d'aval : 1® il faut tenir compte de la pression qui résulterait de celle de Teau de ce bief si la roue était en repos. Or, l'état d'oscillation dans les limites exposées pages 158 à 183 peut sans doute être une cause de diminution dans la pression latérale moyenne. Il y a donc lieu de penser que, toutes choses supposées égales d'ailleurs, les oscillations de la colonne liquide eo aval du coursier ne seront pas sans avantage^ en occasionnant quelque diminution de pression au bas de la roue.

On conçoit même que s'il y avait un commencement de seconde oscillation remontante, il pourrait se présenter des diminutions de pression plus ou moins analogues à celle qui a été signalée dans certaines roues à réaction, où Teau entre de dehors en dedans, outre ce qui a été dit p. 920.

2® Il faut tenir compte de la vitesse avec laquelle la roue peut frapper, soit l'eau du bief d'aval, soit la colonne liquide dont je viens de parler, si l'on considère ainsi le tuyau partiel.

Supposons pour un instant la roue immobile, la vitesse de la colonne liquide étant dirigée de haut en bas dans le sens de l'ouverture inférieure de ce tuyau. Supposons aussi que 1 aube présentât à cette hauteur une surface parallèle à l'axe de la roue, cette surface étant plane et tangente à la circonférence de cette roue, cette extrémité ne recevrait aucune

percussion de la colonne liquide du tuyau parliel, sauf le frottement.

Il paraît d'après cela que la résistance provenant de la vitesse avec laquelle cette colonne liquide sera rencontrée par la surface dont il s'agit, ne peut pas, quand on considère le mouvement relatif de la colonne liquide le long d'un axe courbe, avoir beaucoup d'importance, si la longueur du tuyau partiel est assez grande par rapport à son épaisseur dans le sens du rayon de la roue. Il y a lieu d'espérer, en réunissant cette considération à celles qui ont été présentées ci-dessus, que cette manière de faire dégager l'eau en aval aura de l'avantage quand la roue se trouvera notablement plongée dans l'eau du bief inférieur, tandis que la vitesse avec laquelle se 'dégageait cette eau était en général perdue dans les anciennes roues précitées.

On a supposé^ pour simplifier les explications, que la forme générale connue de ces anciennes roues dont le coursier était toujours plein était celle qui a été indiquée par Ducrest, où l'on avait d'ailleurs disposé la partie supérieure du coursier de manière à éviter la contraction de la veine liquide. Mais les principes précédents peuvent être appliqués à une autre forme.

Au lieu d'entrer par devant, le liquide peut entrer latéralement. L'eau, pour la forme précédente, presserait l'axe de la roue, tandis que ses pressions seraient assez sensiblement équilibrées par celles qui agiraient contre un second fond courbe. L'eau entrant alors latéralement, au lieu de considérer des surfaces courbes formant coursier, on n'aurait plus à considérer pour cela que des surfaces planes.

Il est facile de voir que les considérations précédentes pourraient être appliquées dans cette hypothèse, et que, si l'eau entrait de chaque côté de la roue, les diverses pressions seraient en définitive contrebalancées, c'est-à-dire de manière à ne pas se reporter du moins trop sensiblement sur Taxe. Mais la roue ne pourrait pas à beaucoup près être

aussi large que pour la forme indiquée ci-dessus, et qui même aurait dans certaines limites quelques avantages quant au mode de distribution des pressions sur Taxe, celles qui tendraient à la soulager pouvant être plus grandes que celles qui tendraient à la pousser latéralement.

La difficulté de varier le débit des roues de côté coulant à plein coursier paraît être ce qui en a le plus restreint l'emploi. Quanta la seconde forme que je viens d'indiquer, il est à peine nécessaire d'ajouter que la roue ayant, comme je Tai dit, deux fonds courbes pleins concentriques, pourrait être disposée entre deux murs parallèles barrés par un mur en amont. Les deux murs perpendiculaires à l'axe de* cette roue seraient percés chacun d'un orifice dont la forme différerait peu de celle d'une portion des faces planes de la roue. Chacun de ces orifices servant à introduire l'eau motrice serait convenablement évasé de manière à éviter autant que possible la contraction des veines liquides.

Sans entrer ici dans d'autres détails, j'ai seulement voulu donner un exemple de plus des applications qu'on pourrait faire des propriétés des colonnes liquides oscillantes. Je ne dissimule pas les difficultés pouvant provenir notamment des frottements pour les diverses formes qui peuvent être proposées. Quant à la seconde, si l'on pouvait sans trop de difficulté pratique faire mouvoir parallèlement à elles-mêmes des couronnes , disposées verticalement de manière à diviser la roue en deux parties, on pourrait, en les écartant ou en les rapprochant l'une de l'autre, varier au besoin le débit de Teau motrice. On sait qu'il y a des turbines dont une des faces, pouvant se mouvoir parallèlement à elle-même, permet d'en varier le débit. Il ne s'agit, au reste, dans ce chapitre que d'une exposition de principes, sur l'utilité pratique desquels l'expérience seule pourra prononcer. D'ailleurs, pour la seconde forme, il faudrait, comme je l'ai déjà indiqué^ que la roue ne fût pas trop large.